CN111180564A - 高光效绿光led外延片及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高光效绿光LED外延片及制造方法，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、以及在蓝宝石衬底上依次生长的：AlN缓冲层、氮化镓层、氮化镓/氮化铟镓循环层、N型GaN层、高温InGaN/GaN量子阱层、nGaN/GaN发光量子阱层和P型GaN层。其主要通过氮化镓/氮化铟硅循环层结构可以解决氮化镓层中的位错和层错，有效提升半极性氮化镓的晶体质量；通过多循环的氮化铟硅结构可以有效降低氮化镓结构中的位错，从而减少氮化镓的位错穿透半极性氮化镓结构进入量子阱结构，有效降低了位错密度，提升了量子阱结构的晶体质量。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种高光效绿光LED外延片及制造方法。
背景技术
随着MiniLED和MicroLED的关键技术不断解决，未来MiniLED和MicroLED会大量进入应用市场，同时也会带来LED新的增加需求，特别是绿光LED，因此提高绿光的发光效率非常重要，目前绿光氮化镓基LED主要生长在蓝宝石的C面，由于斯达克效应QCSE的影响，辐射复合效率非常低，相较于蓝光LED，绿光LED受斯达克效应影响更大，发光效率会急剧降低，因此半极性面GaN基绿光LED的技术应运而生，相比C面GaN基绿光LED，半极性GaN基绿光LED可以降低斯达克效应QCSE的影响，增加辐射复合效率，从而提高发光效率。
现有技术存在以下问题：
目前，半极性GaN基绿光LED主要的生长方法为首先是将单晶GaN沿半极性面切割，然后在其上进行绿光LED的生长，但是单晶GaN制作成本高，良率低，不适合进行工业化量产，还有一种方法为通过掩膜工艺进行二次横向外延生长半极性GaN材料，但是过程中需要多次光刻和外延，由于GaN生长对模板的表面要求很高，所以经过复杂光刻工艺后的外延品质很差，良率很低，造成成本很高，同时在此半极性GaN模板上生长的GaN基绿光LED仍然存在大量缺陷及位错，很难得到高品质的GaN基绿光LED外延片。
发明内容
为了填补现有技术当中的不足和空白，本发明旨在提供一种简单工艺，成本较低的半极性GaN基绿光外延片结构及制备方法，通过工艺控制其生长过程的缺陷密度，达到可持续量产高品质GaN基绿光LED外延片。
本发明具体采用以下技术方案：
一种高光效绿光LED外延片，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、以及在蓝宝石衬底上依次生长的：AlN缓冲层、氮化镓层、氮化镓/氮化铟镓循环层、N型GaN层、高温InGaN/GaN量子阱层、nGaN/GaN发光量子阱层和P型GaN层。
优选地，所述氮化镓层包括氮化镓缓冲层及在氮化镓缓冲层上生长的非掺杂的氮化镓层。
优选地，所述氮化镓/氮化铟镓循环层为40-50个氮化镓/氮化铟硅循环层组成的半极性氮化镓层。
优选地，所述高温InGaN/GaN量子阱层由6-8个周期组成。
优选地，所述nGaN/GaN发光量子阱层由10-12个周期组成。
优选地，所述AlN缓冲层的厚度为12-22nm；所述氮化镓缓冲层的厚度为10-15nm；所述非掺杂的氮化镓层的厚度为1.5-2um；所述氮化镓/氮化铟镓循环层中，单个氮化镓循环的厚度为5-50nm，单个氮化铟镓循环的厚度为1-10nm；所述N型GaN层的厚度为1.5-2um，Si掺杂浓度为1E19-1E20；所述高温InGaN/GaN量子阱层的厚度为0.1-0.5um；所述nGaN/GaN发光量子阱层的厚度为0.1-1.0 um；所述P型GaN层20nm-100nm。
以及一种高光效绿光LED外延片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在蓝宝石衬底m面溅射生长AlN缓冲层薄膜；
步骤S2：在所述AlN缓冲层薄上生长氮化镓缓冲层；
步骤S3：在所述氮化镓缓冲层上生长非掺杂的氮化镓层；
步骤S4：在所述非掺杂的氮化镓层上生长40-50个氮化镓/氮化铟硅循环层组成的半极性氮化镓层；
步骤S5：在所述半极性氮化镓层上生长N型GaN层；
步骤S6：在所述N型GaN层上生长高温InGaN/GaN量子阱层；
步骤S7：在所述高温InGaN/GaN量子阱层上生长nGaN/GaN发光量子阱层；
步骤S8：在所述nGaN/GaN发光量子阱层上生长P型GaN层。
优选地，在步骤S1当中，采用PECVD设备在蓝宝石衬底m面溅射12-22nm的ALN薄膜，使用温度为400-800℃，氧气流量为0.5-3sccm，氮气用量为80-300sccm；并利用MOCVD，将所述ALN薄膜进行高温处理，温度1200-1300℃，转速1000-1200RPM，压力200-750Torr，形成AlN缓冲层；
利用MOCVD：
在步骤S2当中，生长所述氮化镓缓冲层，厚度10-15nm，温度550-850℃，转速500-600RPM，压力200-750Torr；
在步骤S3当中，生长所述非掺杂的氮化镓层，厚度1.5-2um,温度1000-1200℃，转速800-1200RPM，压力100-750Torr；
在步骤S4当中，生长所述半极性氮化镓层的单个循环厚度分别为氮化镓厚度：5-50nm,氮化铟镓厚度：1-10nm,温度1000-1200℃，转速800-1200RPM，压力100-750Torr；
在步骤S5当中，生长所述N型GaN层，厚度1.5-2um,温度1000-1200℃，转速800-1200RPM，压力100-750Torr，Si掺杂浓度为1E19-1E20；
在步骤S6当中，生长所述高温InGaN/GaN量子阱层，由6-8个周期组成，厚度0.1-0.5um,温度850-900℃，转速600-800RPM，压力100-750Torr；
在步骤S7当中，生长所述nGaN/GaN发光量子阱层，由10-12个周期组成，厚度0.1-1.0um,温度850-900℃，转速600-800RPM，压力100-750Torr；
在步骤S8当中，生长所述P型GaN层的厚度为20nm-100nm。
优选地，在步骤S1当中，溅射采用高纯度AL靶材和Ar气、氧气为反应源进行磁控溅射,使用温度为475-500℃,厚度为16-18nm,氧气流量为2.5-3sccm，氮气用量为90-100sccm；
步骤S4当中，单个循环厚度分别为氮化镓厚度：5-10 nm, 氮化铟镓厚度：1-5nm。
本发明及优选技术方案主要通过氮化镓/氮化铟硅循环层结构可以解决氮化镓层中的位错和层错，有效提升半极性氮化镓的晶体质量；通过多循环的氮化铟硅结构可以有效降低氮化镓结构中的位错，从而减少氮化镓的位错穿透半极性氮化镓结构进入量子阱结构，有效降低了位错密度，提升了量子阱结构的晶体质量，同时40-50循环的氮化铟硅结构，可以有效阻挡位错缺陷穿透至N型氮化镓层，从而获得了高质量的 GaN基绿光LED外延片,光效较传统的LED外延片提升约25-35%，同时抗静电能力提升显著。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例LED衬底结构示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文对本发明结构特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供的LED芯片的结构具体包括：蓝宝石衬底、以及在蓝宝石衬底上依次生长的：AlN缓冲层、氮化镓层、氮化镓/氮化铟镓循环层、N型GaN层、高温InGaN/GaN量子阱层、nGaN/GaN发光量子阱层和P型GaN层。
其中，氮化镓层包括氮化镓缓冲层及在氮化镓缓冲层上生长的非掺杂的氮化镓层。
氮化镓/氮化铟镓循环层为40-50个氮化镓/氮化铟硅循环层组成的半极性氮化镓层。
高温InGaN/GaN量子阱层由6-8个周期组成。
nGaN/GaN发光量子阱层由10-12个周期组成。
AlN缓冲层的厚度为12-22nm；氮化镓缓冲层的厚度为10-15nm；非掺杂的氮化镓层的厚度为1.5-2um；氮化镓/氮化铟镓循环层中，单个氮化镓循环的厚度为5-50nm，单个氮化铟镓循环的厚度为1-10nm；N型GaN层的厚度为1.5-2um，Si掺杂浓度为1E19-1E20；高温InGaN/GaN量子阱层的厚度为0.1-0.5um；nGaN/GaN发光量子阱层的厚度为0.1-1.0 um；P型GaN层20nm-100nm。
在制造或制备方法方面，本实施例具体提供以下的工艺流程：
1、利用PECVD设备在m面蓝宝石（0001）面上溅射一定厚度的ALN薄膜，厚度16nm之间；。
该溅射工艺以高纯度AL靶材和Ar气、氧气等等离子气体为反应源，进行磁控溅射，使用温度为400℃，优选温度为475℃，氧气流量为3sccm，氮气用量为120sccm，氩Ar气用量为30sccm;
2、利用MOCVD，将生长ALN薄膜缓冲层进行高温处理，温度1200℃，转速600RPM，压力500Torr；
3、利用MOCVD，在ALN薄膜上生长一层氮化镓缓冲层，厚度10nm，温度650℃，转速600RPM，压力500Torr；
4、在氮化镓缓冲层上生长一层非掺杂的氮化镓层，厚度1.5um,温度1120℃，转速1200RPM，压力200Torr；
5、在非掺杂氮化镓上生长45个氮化镓/氮化铟硅循环层组成的半极性氮化镓层，单个循环厚度分别为氮化镓厚度5nm, 氮化硅厚度1nm,温度1125℃，转速1200RPM，压力250Torr;
6、在半极性氮化镓层上生长一层N型氮化镓；厚度1.5um,温度1100℃，转速800RPM，压力100Torr，Si掺杂浓度约1E19-1E20；
7、在N型氮化镓上生长高温量子阱结构，由7个周期组成，厚度0.15um,温度850℃，转速600RPM，压力200Torr；
8、在的高温量子阱结构上在发光量子阱结构，由12个周期组成，厚度0.2 um,温度845℃，转速600RPM，压力200Torr；
9在的发光量子阱结构上生长P层氮化镓结构，厚度45nm, 完成绿光LED外延片的生长；
通过本实施例工艺生长的LED外延片表面光洁平整，对其进行高强度X射线衍射仪测试，其102和002面摇摆曲线半宽高（FWHM）值分别为250弧秒和130弧秒，对比传统方式生长的绿光LED外延片，其102和002面摇摆曲线半宽高（FWHM）值分别为280弧秒和160弧秒，说明该方法明显提高了LED外延片的晶体质量。
通过本实施例工艺生长的外延片进行清洗、刻蚀、金属蒸镀等芯片工艺，制作成8mil*10mil的LED芯片，并对芯片进行光电性能测试，通入测试电流10mA,得到工作电压2.90V，发光亮度1700mcd,通入反向-12V电压，得到反向电流均值0.01uA，反向漏电良率>99.8%（按反向漏电流<0.1uA统计），6KV静电(ESD)释放条件下，良率为99.5%，与传统方式的LED外延片制作的芯片相比，发光亮度提升600mcd, 漏电良率提升5%，6KV ESD良率提升了15%,说明该实施例的LED外延片性能较传统的LED有了极大的改善。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的高光效绿光LED外延片及制造方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种高光效绿光LED外延片，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、以及在蓝宝石衬底上依次生长的：AlN缓冲层、氮化镓层、氮化镓/氮化铟镓循环层、N型GaN层、高温InGaN/GaN量子阱层、nGaN/GaN发光量子阱层和P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的高光效绿光LED外延片，其特征在于：所述氮化镓层包括氮化镓缓冲层及在氮化镓缓冲层上生长的非掺杂的氮化镓层。
3.根据权利要求2所述的高光效绿光LED外延片，其特征在于：所述氮化镓/氮化铟镓循环层为40-50个氮化镓/氮化铟硅循环层组成的半极性氮化镓层。
4.根据权利要求3所述的高光效绿光LED外延片，其特征在于：所述高温InGaN/GaN量子阱层由6-8个周期组成。
5.根据权利要求4所述的高光效绿光LED外延片，其特征在于：所述nGaN/GaN发光量子阱层由10-12个周期组成。
6.根据权利要求5所述的高光效绿光LED外延片，其特征在于：所述AlN缓冲层的厚度为12-22nm；所述氮化镓缓冲层的厚度为10-15nm；所述非掺杂的氮化镓层的厚度为1.5-2um；所述氮化镓/氮化铟镓循环层中，单个氮化镓循环的厚度为5-50nm，单个氮化铟镓循环的厚度为1-10nm；所述N型GaN层的厚度为1.5-2um，Si掺杂浓度为1E19-1E20；所述高温InGaN/GaN量子阱层的厚度为0.1-0.5um；所述nGaN/GaN发光量子阱层的厚度为0.1-1.0 um；所述P型GaN层20nm-100nm。
7.一种高光效绿光LED外延片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在蓝宝石衬底m面溅射生长AlN缓冲层薄膜；
步骤S2：在所述AlN缓冲层薄上生长氮化镓缓冲层；
步骤S3：在所述氮化镓缓冲层上生长非掺杂的氮化镓层；
步骤S4：在所述非掺杂的氮化镓层上生长40-50个氮化镓/氮化铟硅循环层组成的半极性氮化镓层；
步骤S5：在所述半极性氮化镓层上生长N型GaN层；
步骤S6：在所述N型GaN层上生长高温InGaN/GaN量子阱层；
步骤S7：在所述高温InGaN/GaN量子阱层上生长nGaN/GaN发光量子阱层；
步骤S8：在所述nGaN/GaN发光量子阱层上生长P型GaN层。
8.根据权利要求7所述的高光效绿光LED外延片的制造方法，其特征在于：
在步骤S1当中，采用PECVD设备在蓝宝石衬底m面溅射12-22nm的ALN薄膜，使用温度为400-800℃，氧气流量为0.5-3sccm，氮气用量为80-300sccm；并利用MOCVD，将所述ALN薄膜进行高温处理，温度1200-1300℃，转速1000-1200RPM，压力200-750Torr，形成AlN缓冲层；
利用MOCVD：
在步骤S2当中，生长所述氮化镓缓冲层，厚度10-15nm，温度550-850℃，转速500-600RPM，压力200-750Torr；
在步骤S3当中，生长所述非掺杂的氮化镓层，厚度1.5-2um,温度1000-1200℃，转速800-1200RPM，压力100-750Torr；
在步骤S4当中，生长所述半极性氮化镓层的单个循环厚度分别为氮化镓厚度：5-50nm,氮化铟镓厚度：1-10nm,温度1000-1200℃，转速800-1200RPM，压力100-750Torr；
在步骤S5当中，生长所述N型GaN层，厚度1.5-2um,温度1000-1200℃，转速800-1200RPM，压力100-750Torr，Si掺杂浓度为1E19-1E20；
在步骤S6当中，生长所述高温InGaN/GaN量子阱层，由6-8个周期组成，厚度0.1-0.5um,温度850-900℃，转速600-800RPM，压力100-750Torr；
在步骤S7当中，生长所述nGaN/GaN发光量子阱层，由10-12个周期组成，厚度0.1-1.0um,温度850-900℃，转速600-800RPM，压力100-750Torr；
在步骤S8当中，生长所述P型GaN层的厚度为20nm-100nm。
9.根据权利要求8所述的高光效绿光LED外延片的制造方法，其特征在于：在步骤S1当中，溅射采用高纯度AL靶材和Ar气、氧气为反应源进行磁控溅射,使用温度为475-500℃,厚度为16-18nm,氧气流量为2.5-3sccm，氮气用量为90-100sccm；
步骤S4当中，单个循环厚度分别为氮化镓厚度：5-10 nm, 氮化铟镓厚度：1-5nm。
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