CN112186080A - 发光二极管外延片的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种发光二极管外延片的生长方法，属于半导体技术领域。所述生长方法包括：提供一衬底；在衬底上依次生长N型层、有源层和P型层；在衬底上生长N型层包括：在衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，其中，在高温低温交替的条件下，以第一转速生长第一N型层，在低温条件下，以第二转速生长第二N型层；第一转速大于第二转速，第一N型层中Si的掺杂浓度大于第二N型层中Si的掺杂浓度。采用该生长方法可以改善外延片的翘曲，使得后续有源层生长过程中，In源能够均匀分布在外延片上，发光二极管最终的各项参数的一致性更好。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的生长方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，LED是前景广阔的新一代光源，正在被迅速广泛地应用在如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、户内外显示屏和小间距显示屏等领域。
外延片是LED制作过程中的初级成品。相关技术中，LED外延片包括衬底以及依次层叠在衬底上的N型层、有源层和P型层。其中，N型层是重掺Si的GaN层，用于提供电子，电子和空穴在有源层进行辐射复合发光。为了保证N型层中Si的掺杂，N型层的生长温度通常较高，且生长时反应室的转速也较高。
然而Si提供电子的同时也会作为杂质掺杂在外延片里面，Si的加入改变了GaN本身的晶格生长，从而会导致N型层内的应力变大。且N型层的生长温度越高，N型层内的应力越大，会导致外延片翘曲变大，使得外延片不平整。在后续有源层生长过程中，MO源(例如In源)无法均匀分布在外延片上，最终会导致LED各项参数的一致性(如波长一致性、发光强度一致性、颜色一致性等)变差。而对于一致性要求较高的mini(次毫米)LED来说，采用上述方法生长N型层，会严重影响mini LED的显示效果。
发明内容
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，可以改善外延片的翘曲，使得后续有源层生长过程中，In源能够均匀分布在外延片上，LED各项参数的一致性更好，最终可满足LED各项参数的高一致性的要求。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长N型层、有源层和P型层；
其特征在于，在所述衬底上生长N型层包括：
在所述衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，
其中，在高温低温交替的条件下，以第一转速生长所述第一N型层，在低温条件下，以第二转速生长所述第二N型层；
所述第一转速大于所述第二转速，所述第一N型层中Si的掺杂浓度大于所述第二N型层中Si的掺杂浓度。
可选地，在高温低温交替的条件下，生长所述第一N型层，包括。
在高温低温交替的条件下，生长多层第一N型子层，所述高温为1120～1150℃，所述低温为1080～1120℃。
可选地，所述第一N型子层的厚度为20～50nm。
可选地，所述第一转速为1200～1500rpm。
可选地，所述第二转速为200～500rpm。
可选地，所述第二N型层中Si的掺杂浓度是所述第一N型层中Si的掺杂浓度的0.05～0.1倍。
可选地，所述第一N型层中Si的掺杂浓度为8*1018～2*1019cm-3。
可选地，在所述衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，包括：
在所述衬底上生长m个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，2≤m≤6，所述第一N型层的厚度为150～350nm，所述第二N型层的厚度为20～50nm。
可选地，在所述衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，包括：
在氢气、氮气和氨气的混合气氛下，生长所述第一N型层；
减少所述氢气、所述氮气和所述氨气的通入量，生长所述第二N型层。
可选地，生长所述第二N型层时，所述氢气、所述氮气和所述氨气的通入量的和为生长所述第一N型层时，所述氢气、所述氮气和所述氨气的通入量的和的1.2～1.5倍。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过采用该生长方法生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，其中，第一N型层中Si的掺杂浓度大于第二N型层中Si的掺杂浓度，即第一N型层为主要的电子提供层。通过在高温低温交替的条件下生长第一N型层，一方面，高温生长第一N型层时，可以保证第一N型层中Si的高掺杂，使得第一N型层能够提供足够的电子与空穴辐射复合发光。另一方面，高温生长后，采用低温生长第一N型层，可以抵消释放一部分第一N型层高温生长时产生的应力，有利于第一N型层中应力的释放。同时，在低温条件下生长第二N型层，可以进一步释放第一N型层中累积的应力，从而可以大大改善外延片的翘曲。进一步地，为了保证N型层的生长速率，采用较高的转速生长第一N型层，然后，再降低转速生长第二N型层，可以缓解第一N型层生长速率过快，导致应力无法及时释放的问题。通过生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，反复多次进行应力释放，减少了应力的累积，应力释放效果更好，从而可以大大改善外延片的翘曲，使得后续有源层生长过程中，In源能够均匀分布在外延片上，LED各项参数的一致性(如波长一致性、发光强度一致性、颜色一致性等)更好，最终可满足LED各项参数的高一致性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法流程图；
图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的生长方法流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法流程图，如图1所示，该生长方法包括：
步骤101、提供一衬底。
其中，衬底可以为蓝宝石衬底。
步骤102、在衬底上依次生长N型层、有源层和P型层。
示例性地，步骤102中，在衬底上生长N型层可以包括：
在衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层。
其中，在高温低温交替的条件下，以第一转速生长第一N型层，在低温条件下，以第二转速生长第二N型层；
第一转速大于第二转速，第一N型层中Si的掺杂浓度大于第二N型层中Si的掺杂浓度。
本公开实施例提供的生长方法通过在高温低温交替的条件下生长第一N型层，一方面，高温生长第一N型层时，可以保证第一N型层中Si的高掺杂，使得第一N型层能够提供足够的电子与空穴辐射复合发光。另一方面，高温生长后，采用低温生长第一N型层，可以抵消释放一部分第一N型层高温生长时产生的应力，有利于第一N型层中应力的释放。同时，在低温条件下生长第二N型层，可以进一步释放第一N型层中累积的应力，从而可以大大改善外延片的翘曲。进一步地，为了保证N型层的生长速率，采用较高的转速生长第一N型层，然后，再降低转速生长第二N型层，可以缓解第一N型层生长速率过快，导致应力无法及时释放的问题。通过生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，反复多次进行应力释放，减少了应力的累积，应力释放效果更好，从而可以大大改善外延片的翘曲，使得后续有源层生长过程中，In源能够均匀分布在外延片上，LED各项参数的一致性(如波长一致性、发光强度一致性、颜色一致性等)更好，最终可满足LED各项参数的高一致性的要求。
图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的生长方法流程图，如图2所示，该生长方法包括：
步骤201、提供一衬底。
其中，衬底可采用蓝宝石平片衬底。
进一步地，步骤201还可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5-6min。其中，反应室温度为1000-1100℃，反应室压力控制在200-500torr。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，即Si源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，即Mg源。反应室压力为100-600torr。
步骤202、在衬底上生长低温缓冲层。
其中，低温缓冲层为GaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为530-560℃，压力为200-500torr，在蓝宝石的[0001]面上生长厚度为10～30nm的低温缓冲层。
步骤203、在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
其中，高温缓冲层为GaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000～1100℃，压力为200～600torr，在过渡层上生长厚度为2～3.5um的高温缓冲层。
步骤204、在高温缓冲层上生长N型层。
示例性地，步骤204可以包括：
在衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层。
其中，在高温低温交替的条件下，以第一转速生长第一N型层，在低温条件下，以第二转速生长第二N型层。
第一转速大于第二转速，第一N型层中Si的掺杂浓度大于第二N型层中Si的掺杂浓度。
在本公开实施例中，第一N型层和第二N型层均为GaN层。
可选地，在步骤204中，可以在衬底上生长m个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，2≤m≤6。若周期数较小，则起不到多次应力释放的效果。若周期数过大，又会导致N型层的厚度较厚，影响二极管的发明效率。
可选地，第一N型层的厚度为150～350nm，第二N型层的厚度为20～50nm。
若第一N型层的厚度过薄，则会影响电子的横向扩展。若第一N型层的厚度过厚，又会因为生长的厚度较厚产生的应力较大而影响反复释放应力的效果。
若第二N型层的厚度过薄，会影响此段采用低温带来的应力释放效果。若第二N型层的厚度过厚，因为此段Si掺杂浓度较低而影响整体的电子提供数量。
示例性地，第一N型层的厚度为180～320nm，第二N型层的厚度为30～50nm。
可选地，在高温低温交替的条件下，生长第一N型层，包括。
在高温低温交替的条件下，生长多层第一N型子层，高温为1120～1150℃，低温为1080～1120℃。
若高温的温度大于1150℃，会因为温度过高，而产生较大的应力，影响后续应力释放所要达到的效果，若高温的温度小于1120℃，又会因为温度较低而Si掺杂浓度。若低温的温度小于1080℃，会因为温度过低，而导致Si掺杂浓度较低，影响整体的电子提供数量，若低温的温度高于1120℃，又会因为温度较高而产生较大的应力。
可选地，第一N型子层的厚度为20～50nm。
若第一N型子层的厚度过薄，则需要进行多次高温低温交替生长，会导致生长速率降低。若第一N型子层的厚度过厚，又会导致周期数较少，起不到多次应力释放地效果。
可选地，第一转速为1200～1500rpm。
若第一转速低于1200rpm，会因为转速较低而影响生产周期。若第一转速高于1500rpm，又会因为转速太快而产生较大的应力导致外延片裂片。
示例性地，第一转速为1200～1400rpm。
可选地，第二转速为200～500rpm。
若第二转速低于200rpm，会因为转速太低，与前面生长的高转速差异较大，从而导致生长缓冲时间较长，影响生产周期。若第二转速高于500rpm，又会因为转速相对较高而与后续要生长的有源层转速差异大，从而产生一定的离心力影响外延片的均匀性。
示例性地，第二转速为300～500rpm。
在本公开实施例中，生长第二N型层时的生长温度可以与第一N型层的低温生长温度相同，即第二N型层的生长温度可以为1080～1120℃，以便于生长控制。
可选地，第二N型层中Si的掺杂浓度是第一N型层中Si的掺杂浓度的0.05～0.1倍。
若低于0.05倍，会因为低掺杂Si量较少而影响电子的迁移率和电流的横向扩展效果。若大于0.1倍，又会因为低掺杂Si量相对较高而影响N型层的晶体质量。
示例性地，第二N型层中Si的掺杂浓度是第一N型层中Si的掺杂浓度的0.08～0.1倍。
可选地，第一N型层中Si的掺杂浓度为8*1018～2*1019cm-3。
由于Si也是一种掺杂杂质，若第一N型层中Si的掺杂浓度过高，会影响N型GaN层晶格的完整性。若第一N型层中Si的掺杂浓度过低，又会导致影响提供电子的数量。
可选地，在氢气、氮气和氨气的混合气氛下，生长第一N型层；
减少氢气、氮气和氨气的通入量，生长第二N型层。
由于生长第二N型层时，降低了转速，则第二N型层的厚度变薄，外延片易产生翘曲。因此，在降低转速的同时，减少氢气、氮气和氨气的通入量可以减少大幅降低转速带来的厚度变薄对翘曲的影响。
可选地，生长第二N型层时，氢气、氮气和氨气的通入量的和为生长第一N型层时，氢气、氮气和氨气的通入量的和的1.2～1.5倍。
若小于1.2倍，会因为减少量较少而达不到改善翘曲的作用。若大于1.5倍，又会因为减少量较多而影响N型层的正常生长。
示例性地，生长第二N型层时，氢气、氮气和氨气的通入量的和为生长第一N型层时，氢气、氮气和氨气的通入量的和的1.3～1.5倍。
在本公开实施例中，生长第一N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为160L、90L和80L。
生长第二N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为120L、60L和40L。
此时生长第一N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量的和为M1＝330L，生长第二N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量的和为M2＝220L，M1＝1.5M2。
步骤205、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括多个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层。有源层的周期数可以为5～11。
示例性地，控制反应腔内的温度为760～780℃，压力为200torr，生长厚度为2nm～4nm的InGaN阱层。
控制反应腔内的温度为860～890℃，压力为200torr，生长厚度为9nm～20nm的GaN垒层。
步骤206、在有源层上生长电子阻挡层。
其中，电子阻挡层为掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15～0.25)。
示例性地，控制反应腔内的温度为930～970℃，压力为100torr，在有源层上生长厚度为30～50nm的电子阻挡层。
步骤207、在电子阻挡层上生长P型层。
其中，P型层为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为8*1018cm-3～6*1019cm-3。
示例性地，控制反应腔内的温度为940～980℃，压力为200～600torr，在电子阻挡层上生长厚度为50～80nm的P型层。
本公开实施例提供的生长方法通过在高温低温交替的条件下生长第一N型层，一方面，高温生长第一N型层时，可以保证第一N型层中Si的高掺杂，使得第一N型层能够提供足够的电子与空穴辐射复合发光。另一方面，高温生长后，采用低温生长第一N型层，可以抵消释放一部分第一N型层高温生长时产生的应力，有利于第一N型层中应力的释放。同时，在低温条件下生长第二N型层，可以进一步释放第一N型层中累积的应力，从而可以大大改善外延片的翘曲。进一步地，为了保证N型层的生长速率，采用较高的转速生长第一N型层，然后，再降低转速生长第二N型层，可以缓解第一N型层生长速率过快，导致应力无法及时释放的问题。通过生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，反复多次进行应力释放，减少了应力的累积，应力释放效果更好，从而可以大大改善外延片的翘曲，使得后续有源层生长过程中，In源能够均匀分布在外延片上，LED各项参数的一致性(如波长一致性、发光强度一致性、颜色一致性等)更好，最终可满足LED各项参数的高一致性的要求。
图2所示的发光二极管外延片的生长方法的一种具体实现包括：在衬底上生长3个周期交替生长的第一N型层和第二N型层。
其中，在1130℃高温和1085℃低温交替的条件下，以第一转速1250rpm生长第一N型层，在1090℃低温条件下，以第二转速350rpm生长第二N型层。
第一N型层中Si的掺杂浓度是1*1019cm-3，第二N型层中Si的掺杂浓度是1*1018cm-3。
生长第一N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为160L、90L和80L。生长第二N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为120L、60L和40L。
将上述外延片制成LED芯片，与现有技术中制成的芯片相比，LED芯片的出光效率增加了25％。
图2所示的发光二极管外延片的生长方法的一种具体实现包括：在衬底上生长4个周期交替生长的第一N型层和第二N型层。
其中，在1140℃高温和1095℃低温交替的条件下，以第一转速1300rpm生长第一N型层，在1100℃低温条件下，以第二转速400rpm生长第二N型层。
第一N型层中Si的掺杂浓度是1.5*1019cm-3，第二N型层中Si的掺杂浓度是8*1017cm-3。
生长第一N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为160L、90L和80L。生长第二N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为120L、60L和40L。
将上述外延片制成LED芯片，与现有技术中制成的芯片相比，LED芯片的出光效率增加了35％。
图2所示的发光二极管外延片的生长方法的一种具体实现包括：在衬底上生长5个周期交替生长的第一N型层和第二N型层。
其中，在1150℃高温和1100℃低温交替的条件下，以第一转速1400rpm生长第一N型层，在1100℃低温条件下，以第二转速450rpm生长第二N型层。
第一N型层中Si的掺杂浓度是2*1019cm-3，第二N型层中Si的掺杂浓度是6*1017cm-3。
生长第一N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为160L、90L和80L。生长第二N型层，通入反应腔内的氢气、氮气和氨气的通入量分别为120L、60L和40L。
将上述外延片制成LED芯片，与现有技术中制成的芯片相比，LED芯片的出光效率增加了45％。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长N型层、有源层和P型层；
其特征在于，在所述衬底上生长N型层包括：
在所述衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，
其中，在高温低温交替的条件下，以第一转速生长所述第一N型层，在低温条件下，以第二转速生长所述第二N型层；
所述第一转速大于所述第二转速，所述第一N型层中Si的掺杂浓度大于所述第二N型层中Si的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，在高温低温交替的条件下，生长所述第一N型层，包括：
在高温低温交替的条件下，生长多层第一N型子层，所述高温为1120～1150℃，所述低温为1080～1120℃。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述第一N型子层的厚度为20～50nm。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一转速为1200～1500rpm。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第二转速为200～500rpm。
6.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第二N型层中Si的掺杂浓度是所述第一N型层中Si的掺杂浓度的0.05～0.1倍。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述第一N型层中Si的掺杂浓度为8*1018～2*1019cm-3。
8.根据权利要求1至7任一项所述的生长方法，其特征在于，在所述衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，包括：
在所述衬底上生长m个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，2≤m≤6，所述第一N型层的厚度为150～350nm，所述第二N型层的厚度为20～50nm。
9.根据权利要求1至7任一项所述的生长方法，其特征在于，在所述衬底上生长多个周期交替生长的第一N型层和第二N型层，包括：
在氢气、氮气和氨气的混合气氛下，生长所述第一N型层；
减少所述氢气、所述氮气和所述氨气的通入量，生长所述第二N型层。
10.根据权利要求9所述的生长方法，其特征在于，生长所述第二N型层时，所述氢气、所述氮气和所述氨气的通入量的和为生长所述第一N型层时，所述氢气、所述氮气和所述氨气的通入量的和的1.2～1.5倍。
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