CN109873056B - 发光二极管的外延片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了发光二极管的外延片的制备方法，属于发光二极管制作领域。在衬底上先溅射第一AlN层，且第一AlN层的溅射功率在0.5～1kw的范围之内，此时由于第一AlN层的溅射功率较低，可减小反应室内存在的尖端放电现象，溅射出的Al原子团相对较小，减小对衬底的损伤，生长得到的第一AlN层的质量较好。在第一AlN层的退火温度小于第一AlN层的溅射温度条件下对第一AlN层退火，释放第一AlN层的应力，提高第一AlN层的晶体质量。而第二AlN层所掺的氧可使第二AlN层的晶格发生畸变，第二AlN层的晶格常数可与非掺杂GaN层的晶格常数实现良好匹配，在第二AlN层上生长得到的非掺杂GaN层的晶体质量提高，最终得到的外延片的质量提高。

Description

发光二极管的外延片的制备方法

技术领域

本发明涉及发光二极管制作领域，特别涉及发光二极管的外延片的制备方法。

背景技术

外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及在衬底上生长出的外延层。其中，外延层的结构主要包括：依次生长在衬底上的AlN缓冲层、非掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层。

当前常通过物理气相沉积PVD(Physical Vapor Deposition)设备沉积AlN缓冲层，其中又常用磁控溅射的方式在衬底上沉积AlN缓冲层，但在AlN缓冲层溅射的初期，反应室内会存在较强的尖端放电现象，此时可能会溅射出较大的Al 原子团，较大的Al原子团撞击衬底会对衬底表面造成损伤，增加衬底表面的粗糙度，影响在衬底表面直接生长的AlN缓冲层的质量。使得在AlN缓冲层上生长的非掺杂的GaN层中仍存在较多的晶体缺陷，最终得到的外延片的晶体质量仍不够理想。

发明内容

本发明实施例提供了发光二极管的外延片的制备方法，能够提高最终得到的发光二极管的外延片的晶体质量。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

通过磁控溅射在所述衬底上溅射第一AlN层，所述第一AlN层的溅射功率为x，0.5kw≤x<1kw；

对所述第一AlN层进行退火，所述第一AlN层的退火温度小于所述第一AlN 层的溅射温度；

通过磁控溅射在所述第一AlN层上溅射掺氧的第二AlN层，所述第二AlN 层的溅射功率大于所述第一AlN层的溅射功率；

在所述第二AlN层上生长非掺杂GaN层；

在所述非掺杂GaN层上生长N型GaN层；

在所述N型GaN层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长P型GaN层。

可选地，通过磁控溅射在所述衬底上溅射第一AlN层时，向反应室内持续通入10～15sccm的Ar以及75～90sccm的N₂。

可选地，所述反应室内Ar的体积与所述反应室内总气体体积的比值为 0.2～0.5，所述反应室内N₂的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.5～0.8。

可选地，所述第一AlN层的退火温度为200～300℃。

可选地，所述第一AlN层的退火时间为60～120s。

可选地，在第一AlN层上磁控溅射掺氧的第二AlN层时，向反应室内持续通入30～45sccm的Ar、120～180sccm的N₂以及5～10sccm的O₂。

可选地，所述反应室内Ar的体积与所述反应室内总气体体积的比值为 0.2～0.5，所述反应室内N₂的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.5～0.8，所述反应室内O₂的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.01～0.05。

可选地，所述第一AlN层的沉积厚度为5～10nm。

可选地，第二AlN层的沉积厚度为10～20nm。

可选地，所述第一AlN层的溅射压力、所述第一AlN层的退火压力及所述第二AlN层的溅射压力均为2.5-6.0mTorr。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在衬底上先溅射第一AlN 层，且第一AlN层的溅射功率在0.5～1kw的范围之内，此时由于第一AlN层的溅射功率较低，可减小反应室内存在的尖端放电现象，反应室内溅射出的Al原子团相对较小，对衬底的冲击较小，衬底表面受到的损伤较少，在衬底上直接生长的第一AlN层的质量较好。较慢的溅射功率也使得到的第一AlN层内部原子的排列较为致密，第一AlN层背离衬底的一面的表面质量较好。进一步对第一AlN层进行退火，且第一AlN层的退火温度小于第一AlN层的溅射温度，可释放部分第一AlN层在溅射时积累的热应力，进一步提高第一AlN层的晶体质量。而在衬底以大于第一AlN层的溅射功率溅射掺氧的第二AlN层，一方面第二AlN层本身的生长质量有保证，另一方面第二AlN层所掺的氧可使第二AlN 层的晶格发生畸变，第二AlN层的晶格常数可与非掺杂GaN层的晶格常数实现良好匹配，在第二AlN层上生长得到的非掺杂GaN层的晶体质量提高，最终得到的外延片的质量提高。

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的外延片的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；

图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图。

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的外延片的制备方法流程图，如图1所示，该制备方法包括：

S101：提供一衬底。

S102：通过磁控溅射在衬底上溅射第一AlN层，第一AlN层的溅射功率为 x，0.5kw≤x<1kw。

S103：对第一AlN层进行退火，第一AlN层的退火温度小于第一AlN层的溅射温度。

S104：通过在磁控溅射第一AlN层上溅射掺氧的第二AlN层，第二AlN层的溅射功率大于第一AlN层的溅射功率。

S105：在第二AlN层上生长非掺杂GaN层。

S106：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层。

S107：在N型GaN层上生长多量子阱层。

S108：在多量子阱层上生长P型GaN层。

在衬底上先溅射第一AlN层，且第一AlN层的溅射功率在0.5～1kw的范围之内，此时由于第一AlN层的溅射功率较低，可减小反应室内存在的尖端放电现象，反应室内溅射出的Al原子团相对较小，对衬底的冲击较小，衬底表面受到的损伤较少，在衬底上直接生长的第一AlN层的质量较好，较慢的溅射功率也使得到的第一AlN层内部原子的排列较为致密，第一AlN层背离衬底的一面的表面质量较好。进一步对第一AlN层进行退火，且第一AlN层的退火温度小于第一AlN层的溅射温度，可释放部分第一AlN层在溅射时积累的热应力，进一步提高第一AlN层的晶体质量。而在衬底以大于第一AlN层的溅射功率溅射掺氧的第二AlN层，一方面第二AlN层本身的生长质量有保证，另一方面第二 AlN层所掺的氧可使第二AlN层的晶格发生畸变，第二AlN层的晶格常数可与非掺杂GaN层的晶格常数实现良好匹配，在第二AlN层上生长得到的非掺杂 GaN层的晶体质量提高，最终得到的外延片的质量提高。

执行完步骤S108之后的发光二极管的外延片的结构可见图2，图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图2所示，该外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的第一AlN层2、第二AlN层3、非掺杂 GaN层4、N型GaN层5、多量子阱层6以及P型GaN层7。第一AlN层2与第二AlN层3起到缓解衬底1与为掺杂GaN层4之间的晶格失配的作用。

在本发明实施例提供的其他实施例中，本方法也可用于制备其他衬底上设置有第一AlN层2、第二AlN层3及其他外延薄膜的外延片，本发明对此不做限制。

图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：

S201：提供一衬底。

衬底可为蓝宝石图形化衬底。

可选地，本制备方法还可包括，对衬底进行退火。以获得表面质量较好的较为干净的衬底，有利于保证在衬底上生长的外延层的质量。

其中，对衬底进行退火可包括：在氢气气氛下对衬底进行退火，退火温度为1000～1100℃，退火压力为200～500Torr。

S202：通过磁控溅射在衬底上溅射第一AlN层，第一AlN层的溅射功率为 x，0.5kw≤x<1kw。

步骤S202中，第一AlN层的溅射功率可逐渐变大，第一AlN层的溅射功率逐渐变大在不会对衬底造成影响的同时也可为后续第二AlN层的溅射做准备，避免溅射第二AlN层时，由于第二AlN层的溅射功率与第一AlN层的溅射功率相差过大造成较大的尖端放电情况，避免溅射出较大的Al原子团影响第二 AlN层的沉积质量，使第二AlN层内原子排列相对较为致密。

其中，第一AlN层的溅射功率可每秒递增100w。

可选地，可向反应室内持续通入10～15sccm的Ar以及75～90sccm的N₂。在此条件下生长得到的第一AlN层的质量较好。

其中，反应室内Ar的体积与反应室内总气体体积的比值可为0.2～0.5，反应室内N₂的体积与反应室内总气体体积的比值可为0.5～0.8。在此条件下第一AlN 层的溅射速率较为稳定，得到的第一AlN层的质量较好。

可选地，第一AlN层的沉积厚度为5～10nm。第一AlN层的沉积厚度在以上范围内时，能够在衬底上沉积足够质量较好的第一AlN层，也为第二AlN层提供良好的生长基础。

示例性地，第一AlN层的溅射压力可为2.5～6.0mTorr。此时得到的第一AlN 层的质量较好。

第一AlN层的溅射温度可为500～750℃，得到的第一AlN层的质量较好。

在本发明实施例提供的情况中，第一AlN层的溅射压力可为4.0mTorr。第一AlN层的溅射的功率为600W，向反应室内通入的Ar的流量为12sccm，向反应室内通入的N₂的流量为80sccm，向反应室内通入的溅射温度为700℃，向反应室内通入的沉积厚度为7nm。此时得到的第一AlN层的质量较好。

S203：对第一AlN层进行退火，第一AlN层的退火温度小于第一AlN层的溅射温度。

可选地，第一AlN层的退火温度可为200～300℃。此时可较好地释放第一 AlN层中的压力，提高第一AlN层的质量。

示例性地，第一AlN层的退火时间可为60～120s。此时第一AlN层中积累的应力可得到充分释放，有利于提高第一AlN层的晶体质量。

可选地，第一AlN层的退火压力可为2.5～6.0mTorr。此时得到的第一AlN 层的质量较好。

步骤S203中，第一AlN层可在纯N₂的氛围下进行退火，有效保证第一AlN 层的退火效果。

可选地，第一AlN层在退火时，可向反应室内通入100～200sccm的N₂。此时第一AlN层的晶体质量可得到有效提高。

在本发明实施例提供的情况中，第一AlN层的退火时间可为100s，退火温度可为250℃，向反应室内通入的N₂的流量为180sccm。此时得到的第一AlN 层的质量较好。

S204：通过磁控溅射在第一AlN层上溅射掺氧的第二AlN层，第二AlN层的溅射功率大于第一AlN层的溅射功率。

步骤S204中，可向反应室内持续通入30～45sccm的Ar、120～180sccm的 N₂以及5～10sccm的O₂。此时得到的第二AlN层的质量较好。

其中，反应室内Ar的体积与反应室内总气体体积的比值为0.2～0.5，反应室内N₂的体积与反应室内总气体体积的比值为0.5～0.8，反应室内O₂的体积与反应室内总气体体积的比值为0.01～0.05。在此条件下，在保证第二AlN层的生长质量的同时也可以较快的沉积速率沉积第二AlN层。

在本发明实施例提供的情况中，第二AlN层的溅射功率可为4.0kw，向反应室内通入的Ar的流量可为45sccm，向反应室内通入的N₂的流量可为160 sccm，向反应室内通入的O₂的流量可为4.0sccm，第二AlN层的溅射温度为 700℃，第二AlN层的沉积厚度为18nm。此时得到的第二AlN层的质量较好。

可选地，第二AlN层的沉积厚度可为10～20nm。第二AlN层的沉积厚度在此范围内时可较好地起到缓解衬底与非掺杂GaN层之间的晶格失配，得到的外延片的整体质量较好。

可选地，第二AlN层的溅射压力均为2.5～6.0mTorr。此时得到的第二AlN 层的质量较好。其中第二AlN层的溅射压力可与第一AlN层的溅射压力相等，便于设置的同时也不会影响二者的沉积质量。

示例性地，第二AlN层的溅射温度可为500～750℃。此时得到的第二AlN 层的质量较好。其中，其中第二AlN层的溅射温度可与第一AlN层的溅射温度相等，便于设置的同时也不会影响二者的沉积质量。

可选地，第二AlN层的溅射功率可为3.5～6.0kw。此时得到的第二AlN层的质量较好。

步骤S204中，第二AlN层的溅射功率也可逐渐增大，提高第二AlN层的沉积效率。

第二AlN层的溅射功率可每秒增加500w。此时得到的第二AlN层的质量较好。

第二AlN层沉积完成之后将衬底转入金属化学气相沉积MOCVD(Metal-organicChemical Vapor Deposition)中，在温度为1000℃，压力为 200～500Torr的条件下退火5～10min，继续生长外延结构。

S205：在第二AlN层上生长非掺杂GaN层。

其中，非掺杂GaN层的生长温度可为1000～1080℃。非掺杂GaN层的生长压力可为250～550Torr。得到生长良好的非掺杂GaN层。

非掺杂GaN层的生长厚度为1.0～1.5μm。若非掺杂GaN层的厚度小于1.0 μm，则无法达到非掺杂GaN层填平蓝宝石图形化衬底表面的图案的效果，若非掺杂GaN层的厚度大于1.5μm，则造成浪费。

S206：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层。

其中，N型GaN层的生长厚度可为1.0～1.8μm。若N型GaN层的厚度小于1.0μm，则无法达到N型GaN层作为掺杂层的效果；若N型GaN层的厚度大于1.8μm，则造成浪费。

N型GaN层中的掺杂元素可为Si。

N型GaN层的生长温度可为1100～1150℃，N型GaN层可为100～500Torr。在此条件下生长得到的应力释放层的质量较好。

S207：在N型GaN层上生长应力释放层。

其中，应力释放层的厚度可以为50～200nm。

应力释放层的生长温度可为800～900℃，生长压力可为100～500Torr。在此条件下生长得到的应力释放层的质量较好。

可选地，应力释放层可为InGaN/GaN超晶格结构，应力释放层包括周期性层叠的InGaN子层与GaN子层。InGaN子层的厚度可为15nm，GaN子层的厚度可为45nm。

S208：在应力释放层上生长多量子阱层。

其中，多量子阱层包括多个交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层，其中InGaN 阱层的生长厚度可为3～4nm，GaN垒层的生长厚度可为9～20nm。InGaN阱层的层数与GaN垒层的层数均为6～12。此时得到的多量子阱层的质量较好。

GaN垒层的厚度为13.0nm，InGaN阱层的厚度为4.0nm，InGaN阱层的层数与GaN垒层的层数均可为8。

InGaN阱层的生长温度可为750～830℃，GaN垒层的生长温度可为 850～900℃，InGaN阱层的生长压力与GaN垒层的生长压力军可为100～500Torr。此时得到的多量子阱层的质量较好。

S209：在多量子阱层上生长P型AlGaN层。

P型AlGaN层的生长厚度可为30～100nm，P型AlGaN层的生长温度可为 900～1000℃之间，P型AlGaN层的生长压力可为100～500Torr。此时得到的P型 AlGaN层的质量较好。

S210：在P型AlGaN层上生长P型GaN层。

P型GaN层的生长厚度可为100～300nm，P型GaN层的生长温度可为 850～950℃之间，P型GaN层的生长压力可为100～300Torr。此时得到的P型GaN 层的质量较好。

S211：在P型GaN层上生长P型欧姆接触层。

P型欧姆接触层的生长厚度可为5～100nm，P型欧姆接触层的生长温度可为 850～1000℃之间，P型欧姆接触层的生长压力可为100～300Torr。此时得到的P 型欧姆接触层的质量较好。

可选地，本制备方法还可包括：在外延片生长结束之后，在氮气氛围下对外延片进行退火，退火温度为650～850℃，退火时长为5到15min。外延片生长结束之后对其进行退火能够激活P型GaN层中的Mg原子，提高P型GaN层中的空穴浓度，有利于提高发光二极管的发光效率。

并且在本发明的实施例中，可采用三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷，P 型掺杂剂选用二茂镁。

执行完步骤S211之后的外延片结构可见图4，图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图3所示，该外延片包括衬底1 及依次层叠在衬底1上的第一AlN层2、第二AlN层3、非掺杂GaN层4、N 型GaN层5、应力释放层8、多量子阱层6、P型AlGaN层9、P型GaN层7及 P型欧姆接触层10。

可知图3中的方法相对图1中的方法，在N型GaN层5与多量子阱层6之间增加生长了用于释放应力的应力释放层8、多量子阱层6与P型GaN层7之间增加生长了限制电子溢流的P型AlGaN层9，并在P型GaN层7上生长了P 型欧姆接触层10为后续制备做准备。本方法可用于包括第一AlN层2、第二 AlN层3及其他结构的外延片上。多量子阱层6包括多个交替层叠的InGaN阱层61与GaN垒层62。应力释放层8可为InGaN/GaN超晶格结构，应力释放层 8包括周期性层叠的InGaN子层81与GaN子层82。

以上所述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 (7)

1.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一衬底；

通过磁控溅射在所述衬底上溅射第一AlN层，所述第一AlN层的溅射功率为x，0.5kw≤x<1kw；

对所述第一AlN层进行退火，所述第一AlN层的退火温度小于所述第一AlN层的溅射温度，所述第一AlN层的退火温度为200～300℃，所述第一AlN层的退火时间为60～120s；

通过磁控溅射在所述第一AlN层上溅射掺氧的第二AlN层，所述第二AlN层的溅射功率大于所述第一AlN层的溅射功率，在第一AlN层上磁控溅射掺氧的第二AlN层时，向反应室内持续通入30～45sccm的Ar、120～180sccm的N₂以及5～10sccm的O₂，所述第二AlN层的溅射温度为500～750℃；

在所述第二AlN层上生长非掺杂GaN层；

在所述非掺杂GaN层上生长N型GaN层；

在所述N型GaN层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长P型GaN层。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过磁控溅射在所述衬底上溅射第一AlN层时，向反应室内持续通入10～15sccm的Ar及75～90sccm的N₂。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述反应室内Ar的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.2～0.5，所述反应室内N₂的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.5～0.8。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应室内Ar的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.2～0.5，所述反应室内N₂的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.5～0.8，所述反应室内O₂的体积与所述反应室内总气体体积的比值为0.01～0.05。

5.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一AlN层的沉积厚度为5～10nm。

6.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，第二AlN层的沉积厚度为10～20nm。

7.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一AlN层的溅射压力、所述第一AlN层的退火压力及所述第二AlN层的溅射压力均为2.5～6.0mTorr。

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