CN109768126B - 一种发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的制造方法，属于半导体技术领域。所述制造方法包括：提供一图形化衬底；在所述图形化衬底上依次生长低温成核层、高温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层；其中，所述高温缓冲层包括第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层均为GaN层，生长高温缓冲层包括：在生长温度为1100～1150℃的环境下，在低温成核层上生长第一子层；在生长温度为1040～1070℃的环境下，在第一子层上生长第二子层；第一子层的生长时间大于第二子层的生长时间。本发明通过改变高温缓冲层的生长条件，可以提高生长出的GaN外延层的晶体质量，从而提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制造方法。
背景技术
现有的氮化镓(GaN)基发光二极管主要是异质外延在平坦的蓝宝石衬底上，其中，GaN的折射率为2.45，蓝宝石的折射率为1.78。由于光由光密介质(折射率较大的介质)进入光疏介质(折射率较小的介质)时会发生全反射，光疏介质与光密介质的折射率相差越大全反射程度越大，而蓝宝石衬底与GaN的折射率相差较小，因此全反射程度较小，光从GaN外延层进入蓝宝石衬底时，大部分光会逸出到衬底，不能有效反射回外延层，大大降低了GaN基发光二极管的出光效率。
为了提高GaN基发光二极管的出光效率，目前常采用的方法是在蓝宝石衬底上生长沉积一层低折射率的薄膜，例如SiO2薄膜，然后对SiO2薄膜进行图形化处理，并在设有图形化SiO2薄膜的衬底上生长GaN外延层。光从外延层进入衬底时，会先经过图形化SiO2薄膜，SiO2薄膜所形成的图形可以增大加光的入射角度，而且SiO2的折射率接近为1，与GaN的折射率相差较大，因此设有图形化SiO2薄膜的衬底对光线的反射率较大，更多的光可以反射回外延层，并从透明电极出射，提高了氮化镓基发光二极管的出光效率。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
在蓝宝石衬底上形成图形化SiO2薄膜后，衬底的膜质发生了改变，若继续采用在普通蓝宝石衬底上的GaN生长工艺生长GaN外延层，可能会导致生长出的GaN外延层的晶体质量较差，从而影响发光二极管的发光效率。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，可以提高生长出的GaN外延层的晶体质量，从而提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
本发明提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一图形化衬底；
在所述图形化衬底上依次生长低温成核层、高温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层；
其中，所述高温缓冲层包括第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层均为GaN层，生长所述高温缓冲层包括：
在生长温度为1100～1150℃的环境下，在所述低温成核层上生长第一子层；
在生长温度为1040～1070℃的环境下，在所述第一子层上生长第二子层；
所述第一子层的生长时间大于所述第二子层的生长时间；
所述提供一图形化衬底，包括：
在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2薄膜；
在SiO2薄膜上形成一层光刻胶掩膜，采用光刻技术将所述光刻胶掩膜图形化，以在所述光刻胶掩膜上形成图形；
采用刻蚀工艺将所述光刻胶掩膜上的图形轮廓传递到SiO2薄膜上，在SiO2薄膜上形成图形。
进一步地，所述高温缓冲层的厚度为0.5～2um。
进一步地，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度。
进一步地，所述第一子层与所述第二子层的厚度比为3：1。
进一步地，所述高温缓冲层的生长压力为30～500torr。
进一步地，所述第一子层的生长压力高于所述第二子层的生长压力。
进一步地，所述第一子层的生长压力与所述第二子层的生长压力之比为3：1。
进一步地，所述高温缓冲层的生长时间为t，0＜t≤20min。
进一步地，所述第一子层与所述第二子层的生长时间的比值为3:1。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将高温缓冲层分为第一子层和第二子层，第一子层的生长温度为1100～1150℃，第二子层的生长温度为1040～1070℃，两个子层的生长温度均较高，并且第一子层的生长温度高于第二子层的生长温度。第一子层的生长温度较高，反应物分子之间的迁移率加快，使得GaN材料内部的缺陷减少，可以提高晶体质量。加上第一子层的生长时间大于第二子层的生长时间，即第一子层的生长时间较长，有充足的时间利用反应物分子之间的迁移减少GaN材料内部的缺陷，有效提高外延片底层的晶体质量，为后续的外延生长提供晶体质量良好的底层，可以大大提升GaN外延层整体的晶体质量，最终提高发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图；
图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管外延片的制造方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图1所示，该制造方法包括：
步骤101、提供一图形化衬底。
在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底。
具体地，步骤101可以包括：
在蓝宝石衬底上沉积一层厚度为1.5～3um的SiO2薄膜，在SiO2薄膜上形成一层光刻胶掩膜，采用光刻技术将光刻胶掩膜图形化，以在光刻胶掩膜上形成所期望的图形。采用刻蚀工艺将光刻胶掩膜上的图形轮廓传递到SiO2薄膜上，在SiO2薄膜上形成图形。
在本实施例中，形成的图形由多个凸起结构组成，多个凸起结构形成的图形可以是圆形、菱形或六边形等。每个凸起结构可以为圆锥形、圆柱形等。
每个凸起结构的下底直径可以为0.5～3um、间距可以为0.5～3um，高度可以为1.2～3nm。
步骤102、在图形化衬底上依次生长低温成核层、高温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层。
其中，高温缓冲层包括第一子层和第二子层，第一子层和第二子层均为GaN层，生长高温缓冲层包括：
在生长温度为1100～1150℃的环境下，在低温成核层上生长第一子层，在生长温度为1040～1070℃的环境下，在第一子层上生长第二子层。第一子层的生长时间大于第二子层的生长时间。
本发明实施例通过将高温缓冲层分为第一子层和第二子层，第一子层的生长温度为1100～1150℃，第二子层的生长温度为1040～1070℃，两个子层的生长温度均较高，并且第一子层的生长温度高于第二子层的生长温度。第一子层的生长温度较高，反应物分子之间的迁移率加快，使得GaN材料内部的缺陷减少，可以提高晶体质量。加上第一子层的生长时间大于第二子层的生长时间，即第一子层的生长时间较长，有充足的时间利用反应物分子之间的迁移减少GaN材料内部的缺陷，有效提高外延片底层的晶体质量，为后续的外延生长提供晶体质量良好的底层，可以大大提升GaN外延层整体的晶体质量，最终提高发光二极管的发光效率。同时第二子层的生长温度较低，可以释放高温生长带来的应力，缓解翘曲变化过大对后续外延生长的不良影响(如影响有源层发光的均匀性，降低芯片良率)。而且第二子层的生长时间较短，既能配合第一子层的生长缓解其高温生长带来的应力，也能避免对其高温生长所形成的质量良好的晶体形成破坏。综上所述，本发明实施例将高温缓冲层分为两个子层，通过两个子层的生长温度和生长时间的配合，有效提高外延片的晶体质量和外延片的均匀性，在现有工艺设备的基础上简单改进即可，实现成本低，实际生产效果很好。
图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一图形化衬底。
在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底。
具体地，步骤201可以包括：
在蓝宝石衬底上沉积一层厚度为1.5～3um的SiO2薄膜，在SiO2薄膜上形成一层光刻胶掩膜，采用光刻技术将所述光刻胶掩膜图形化，以形成所期望的图形。采用刻蚀工艺将光刻胶掩膜上的图形轮廓传递到SiO2薄膜上，在SiO2薄膜上形成图形。
在本实施例中，形成的图形由多个凸起结构组成，多个凸起结构形成的图形可以是圆形、菱形或六边形等。每个凸起结构可以为圆锥形、圆柱形等。
每个凸起结构的下底直径可以为0.5～3um、间距可以为0.5～3um，高度可以为1.2～3nm。
进一步地，步骤201还可以包括：
将图形化衬底放置在石墨盘上并对图形化衬底进行加热，加热温度为1060℃，加热时间为5min，以便于后续进行外延生长。
步骤202、在图形化衬底上生长低温成核层。
在本实施例中，低温成核层可以是GaN层，也可以是AlN层。
当低温成核层是GaN层时，采用MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法生长低温成核层，包括：首先，将MOCVD设备的反应室内温度调整至400℃～600℃，压力调至200torr～600torr，生长厚度为15～35nm的GaN低温成核层。
当低温成核层是AlN层时，采用PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)方法生长低温成核层，包括：将PVD设备的反应室内温度调整至400～700℃，调整溅射功率为3000～5000W，调整压力为1～10mtorr，生长厚度为15～35nm的AlN低温成核层。
需要说明的是，外延层中的高温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层、以及P型层均可以采用MOCVD方法生长。在具体实现时，通常是将衬底放在石墨托盘上送入MOCVD设备的反应室中进行外延材料的生长，因此下述生长过程中控制的温度和压力实际上是指反应室内的温度和压力。具体地，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯氮气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三乙基硼作为硼源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
步骤203、在低温成核层上生长高温缓冲层。
其中，高温缓冲层包括第一子层和第二子层，第一子层和第二子层均为GaN层，步骤203可以包括：
在生长温度为1100～1150℃的环境下，在低温成核层上生长第一子层，在生长温度为1040～1070℃的环境下，在第一子层上生长第二子层。
第一子层的生长时间大于第二子层的生长时间。
在本实施例中，第一子层的生长温度可以为1100℃，第二子层的生长温度可以为1050℃。
进一步地，高温缓冲层的总厚度为0.5～2um。若高温缓冲层的厚度过厚，会增大翘曲，并增加成本，若高温缓冲层的厚度过薄，由起不到使外延层表面平整的效果。
可选地，第一子层的厚度大于第二子层的厚度。若第一子层的厚度过薄，则起不到提高晶体质量的作用，若第二子层的厚度过厚，则会产生较多的缺陷而影响晶体质量。
优选地，第一子层与第二子层的厚度比为3：1，与第一子层和第二子层的生长时间的比值相匹配。此时，即可起不到使外延层表面平整的效果，又不会增大翘曲，增加成本。
进一步地，高温缓冲层的生长压力为30～500torr。若高温缓冲层的生长压力过低，则起不到高压会产生较大体积晶种的效果，若高温缓冲层的生长压力过高，又会影响后续的合并、填平效果而引起缺陷。
可选地，第一子层的生长压力高于第二子层的生长压力。由于高压有利于GaN进行三维生长，使GaN岛的尺寸增加，密度降低，岛的合并延迟，因此会降低线缺陷的密度，提高GaN外延层的晶体质量。低压有利于GaN的二维生长，从而有利于改善外延片的翘曲。
优选地，第一子层的生长压力与第二子层的生长压力之比为3：1。此时，既可提高GaN外延层的晶体质量，又可改善外延片的翘曲。
进一步地，高温缓冲层的生长时间为t，0＜t≤20min。若高温缓冲层的生长时间过长，会导致生长出的高温缓冲层的厚度过厚，增大翘曲，同时还会产生较多的缺陷，影响外延层的晶体质量。若高温缓冲层的生长时间过短，则起不到提高晶体质量的作用。
优选地，第一子层与第二子层的生长时间的比值为3:1。此时，既可提高外延层的晶体质量，又可缓解第一子层高温生长带来的应力。
步骤204、在高温缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
具体地，控制反应室温度为1000～1100℃，压力为100～500torr，生长厚度为1～5um的未掺杂的GaN层。
步骤205、在未掺杂的GaN层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层。
具体地，控制反应室温度为950～1150℃，压力为100～400torr，生长厚度为1.5-3.5um的N型层。
步骤206、在N型层上生长有源层。
在本实施例中，有源层可以包括6-15个交替生长的InyGa1-yN(0.2<x<0.5)势阱层和GaN势垒层。
具体地，控制反应室温度为700～850℃，压力为100～500torr，生长厚度为2～5nm的InyGa1-yN势阱层。控制反应室温度为850～950℃，压力为100～500torr，生长厚度为5～15nm的GaN势垒层。
步骤207、在有源层上生长P型层。
在本实施例中，P型层可以包括低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。
其中，低温P型层可以为掺Mg的GaN层，电子阻挡层可以为AlGaN层、高温P型层可以为掺Mg的GaN层、P型接触层可以为掺Mg/ln的PlnGaN层。
具体地，控制反应室温度为700～800℃，压力为100～600torr，生长厚度为30～120nm的低温P型层。
控制反应室温度为900-1000℃，压力为50-300torr，生长厚度为50～150nm的电子阻挡层。
控制反应室温度为900-1050℃，压力为100～500torr，生长厚度为50～150nm的高温P型层。
控制反应室温度为700～850℃，压力为100～500torr，生长厚度为3-10nm的P型接触层。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至600～850℃，在氮气气氛进行退火处理5～15min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
本发明实施例通过将高温缓冲层分为第一子层和第二子层，第一子层的生长温度为1100～1150℃，第二子层的生长温度为1040～1070℃，两个子层的生长温度均较高，并且第一子层的生长温度高于第二子层的生长温度。第一子层的生长温度较高，反应物分子之间的迁移率加快，使得GaN材料内部的缺陷减少，可以提高晶体质量。加上第一子层的生长时间大于第二子层的生长时间，即第一子层的生长时间较长，有充足的时间利用反应物分子之间的迁移减少GaN材料内部的缺陷，有效提高外延片底层的晶体质量，为后续的外延生长提供晶体质量良好的底层，可以大大提升GaN外延层整体的晶体质量，最终提高发光二极管的发光效率。同时第二子层的生长温度较低，可以释放高温生长带来的应力，缓解翘曲变化过大对后续外延生长的不良影响(如影响有源层发光的均匀性，降低芯片良率)。而且第二子层的生长时间较短，既能配合第一子层的生长缓解其高温生长带来的应力，也能避免对其高温生长所形成的质量良好的晶体形成破坏。综上所述，本发明实施例将高温缓冲层分为两个子层，通过两个子层的生长温度和生长时间的配合，有效提高外延片的晶体质量和外延片的均匀性，在现有工艺设备的基础上简单改进即可，实现成本低，实际生产效果很好。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一图形化衬底；
在所述图形化衬底上依次生长低温成核层、高温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层；
其中，所述高温缓冲层包括第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层均为GaN层，生长所述高温缓冲层包括：
在生长温度为1100～1150℃的环境下，在所述低温成核层上生长第一子层；
在生长温度为1040～1070℃的环境下，在所述第一子层上生长第二子层；
所述第一子层的生长时间大于所述第二子层的生长时间；
所述提供一图形化衬底，包括：
在蓝宝石衬底上沉积一层SiO2薄膜；
在SiO2薄膜上形成一层光刻胶掩膜，采用光刻技术将所述光刻胶掩膜图形化，以在所述光刻胶掩膜上形成图形；
采用刻蚀工艺将所述光刻胶掩膜上的图形轮廓传递到SiO2薄膜上，在SiO2薄膜上形成图形。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述高温缓冲层的厚度为0.5～2um。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层与所述第二子层的厚度比为3：1。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述高温缓冲层的生长压力为30～500torr。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力高于所述第二子层的生长压力。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力与所述第二子层的生长压力之比为3：1。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述高温缓冲层的生长时间为t，0＜t≤20min。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层与所述第二子层的生长时间的比值为3:1。
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