CN113097351B - 一种led外延片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED外延片的制作方法，包括以下步骤，步骤3、在AlN层上间隔制作多个凸起的圆锥体；步骤4、在AlN层上间隔制作多个凹陷且倒置的圆锥腔，所述圆锥腔与圆锥体交错设置且两两不相连；步骤5、在AlN层上周期性生长多个多量子阱发光层，每个所述多量子阱发光层均包括依次生长的InGaN阱层和GaN垒层，其中，第一周期生长的多量子阱发光层用于填满所述步骤4中的圆锥腔，从第二周期开始，后一周期生长的多量子阱发光层均位于包含AlN层和前一周期生长的多量子阱发光层的整体结构上。本发明能够提升LED外延片的亮度、增强抗静电能力、提高波长的集中度，还能降低LED外延片的正向电压。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，具体涉及一种LED外延片的制作方法。
背景技术
LED外延片是一种固体光源，它是利用半导体P-N结制成的发光器件。在正向电流导通时，半导体中的少数载流子(即电子)和多数载流子(即空穴)复合，释放出的能量以光子或部分以光子的形式发射出来。LED外延片照明具有高效、节能、环保和使用寿命长等显著优点，已经被广泛应用于路灯、显示屏、室内照明和汽车灯等各个方面。考虑到发光亮度是LED外延片竞争力最重要的衡量指标，如何能在现有技术的基础上提升LED外延片的亮度，是增加LED外延片竞争力的永恒话题。
目前，现有的LED外延片制作方法制备的LED外延片亮度不高，严重阻碍了LED性能的提高，降低了LED的节能效果。
综上所述，急需一种LED外延片的制作方法以解决现有技术中存在的LED外延片亮度不高的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种LED外延片的制作方法，具体技术方案如下：
一种LED外延片的制作方法，包括以下步骤，
步骤3、在AlN层上间隔制作多个凸起的圆锥体；
步骤4、在AlN层上间隔制作多个凹陷且倒置的圆锥腔，所述圆锥腔与圆锥体交错设置且两两不相连；
步骤5、在AlN层上周期性生长多个多量子阱发光层，每个所述多量子阱发光层均包括依次生长的InGaN阱层和GaN垒层，其中，第一周期生长的多量子阱发光层用于填满所述步骤4中的圆锥腔，从第二周期开始，后一周期生长的多量子阱发光层均位于包含AlN层和前一周期生长的多量子阱发光层的整体结构上。
优选的，所述步骤3中，所述圆锥体的底面直径D1为1000-1100nm，高度H1为850-900nm，相邻圆锥体底面间的最短距离d1为2100-2200nm。
优选的，所述步骤4中，所述圆锥腔的顶面直径D2为800-900nm，高度H2＝H1，所述圆锥腔顶面与相邻圆锥体底面之间的最短距离d2为500-600nm。
优选的，在所述步骤5中，第一周期生长的InGaN阱层的层厚D3与第一周期生长的GaN垒层的层厚D4相等，且D3+D4＝H2。
优选的，在所述步骤5中，所述多量子阱发光层的生长周期数为2-12个，从第二周期开始，在单个生长周期内，InGaN阱层的层厚为3-5nm，GaN垒层的层厚为8-10nm。
优选的，所述步骤3中圆锥体的制作方法如下：首先在AlN层上涂满光刻胶，接着对位于AlN层上非圆锥体制作区域的光刻胶采用曝光和显影处理，然后通过干法刻蚀在对应位置制作出圆锥体，最后将AlN层上的残余胶体清洗干净。
优选的，所述步骤4中圆锥腔的制作方法如下：首先在AlN层上涂满光刻胶，接着对位于AlN层上非圆锥腔制作区域的光刻胶采用曝光和显影处理，然后通过干法刻蚀在对应位置制作出圆锥腔，最后将AlN层上的残余胶体清洗干净。
优选的，在所述步骤3之前还包括以下步骤：
步骤1、制作图形化衬底；
步骤2、在所述图形化衬底上依次生长缓冲层GaN、非掺杂GaN层、掺杂Si的N型GaN层以及AlN层；
在所述步骤5之后还包括步骤6，所述步骤6是在步骤5所述的多量子阱发光层上依次生长电子阻挡层和P型半导体层以制备得到LED外延片。
优选的，所述AlN层的厚度为1800-2000nm。
优选的，所述步骤2在作业时，采用金属有机化合物化学气相沉积法且沿垂直于所述图形化衬底的作业面进行沉积作业。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
本发明中所述LED外延片的制作方法，其有益效果如下：
(1)通过步骤3和步骤4在AlN层上间隔制作圆锥体和圆锥腔，不仅能够提升LED外延片的发光效率，即亮度，还可以提升LED外延片的抗静电能力，并提高LED外延片波长集中度，即提高波长均匀性。
(2)通过步骤5在AlN层上生长多个周期的多量子阱发光层，使得多量子阱发光层中的空穴很容易通过圆锥腔侧壁注入至更深的多量子阱发光层中，可以降低LED外延片的工作电压和改善电子与空穴空间上的不均匀分布。此外，圆锥体能够释放多量子阱发光层中的失配应力，有利于并入更多的In组分，这对于长波长InGaN黄绿光量子阱层的生长是极为有利的，这意味着更容易获得相同波长，提高LED外延片波长集中度，且更容易提高InGaN量子阱的生长温度，使生长的LED外延片晶体质量更好，从而确保LED外延片的光电性能更好。步骤5中第一周期生长的多量子阱发光层正好把圆锥腔填充满，可以有效去除圆锥腔内的富In团簇等晶体缺陷，使圆锥腔区域内的多量子阱发光层晶体质量提高，并在一定程度上抑制非辐射复合，增强多量子阱发光层的发光效率。
(3)步骤3中所述圆锥体的设计有助于多量子阱发光层中原子释放LED外延片内应力，原子填充均匀向上，能提高LED外延片内原子均匀性。步骤4中圆锥腔的设计有助于阻断多量子阱发光层直接平行向上推移时缺陷的向上延伸，降低位错密度，提高LED外延片晶体质量。所述步骤3、步骤4和步骤5的结合能够提升LED外延片的亮度、增强抗静电能力、提高波长的集中度，还能降低LED外延片的正向电压。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1的AlN层结构示意图；
其中，1、AlN层，1.1、圆锥体，1.2、圆锥腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见图1，一种LED外延片的制作方法，包括以下步骤，
步骤3、在AlN层1上间隔制作多个凸起的圆锥体1.1；
步骤4、在AlN层1上间隔制作多个凹陷且倒置的圆锥腔1.2，所述圆锥腔1.2与圆锥体1.1交错设置且两两不相连，即在任意两个相邻的圆锥腔1.2之间设置一个圆锥体1.1，在任意两个相邻的圆锥体1.1之间设置一个圆锥腔1.2；
步骤5、在AlN层1上周期性生长多个多量子阱发光层，每个所述多量子阱发光层均包括依次生长的InGaN阱层和GaN垒层，其中，第一周期生长的多量子阱发光层用于填满所述步骤4中的圆锥腔1.2，从第二周期开始，后一周期生长的多量子阱发光层均位于包含AlN层1和前一周期生长的多量子阱发光层的整体结构上。
所述步骤3中，所述圆锥体1.1的底面直径D1为1050nm，高度H1为875nm，相邻圆锥体1.1底面间的最短距离d1为2150nm。所述圆锥体1.1参数的设计能够有效利用InGaN阱层在圆锥体1.1上更难成核来减少InGaN阱层在圆锥体1.1侧壁上的非故意生长，提升LED外延片的结晶质量，提升LED外延片的发光亮度。
所述步骤4中，所述圆锥腔1.2的顶面直径D2为850nm，高度H2＝H1，所述圆锥腔1.2顶面与相邻圆锥体1.1底面之间的最短距离d2为550nm。所述圆锥腔1.2参数的设计可以促进在圆锥腔1.2周围形成数百个meV(兆电子伏特)的势垒，有效避免载流子被圆锥腔1.2上方的多量子阱层中的位错捕获，进而提升LED外延片的发光效率。
在所述步骤5中，第一周期生长的InGaN阱层的层厚D3与第一周期生长的GaN垒层的层厚D4相等，且D3+D4＝H2。
在所述步骤5中，所述多量子阱发光层的生长周期数为7个，从第二周期开始，在单个生长周期内，InGaN阱层的层厚为4nm，GaN垒层的层厚为9nm，可以促使整个多量子阱发光层容纳更多的载流子，减少能带的倾斜，促使电子空穴波函数的重叠，增加电子和空穴的辐射复合几率，提高发光效率。
所述步骤3中圆锥体1.1的制作方法如下：首先在所述AlN层1上涂满光刻胶，接着对位于AlN层1上非圆锥体1.1制作区域的光刻胶采用步进光刻机曝光和显影机显影处理，然后通过电感耦合等离子体刻蚀机干法刻蚀在对应位置制作出圆锥体1.1，最后将所述AlN层1上的残余胶体清洗干净。
所述步骤4中圆锥腔1.2的制作方法如下：首先在所述AlN层1上涂满光刻胶，接着对位于AlN层1上非圆锥腔1.2制作区域的光刻胶采用步进光刻机曝光和显影机显影处理，然后通过电感耦合等离子体刻蚀机干法刻蚀在对应位置制作出圆锥腔1.2，最后将所述AlN层1上的残余胶体清洗干净。
在所述步骤3之前还包括以下步骤：
步骤1、制作图形化衬底；
步骤2、在所述图形化衬底上依次生长缓冲层GaN、非掺杂GaN层、掺杂Si的N型GaN层以及AlN层1；
在所述步骤5之后还包括步骤6，所述步骤6是在步骤5所述的多量子阱发光层上依次生长电子阻挡层和P型半导体层以制备得到LED外延片。
所述AlN层1的厚度为1900nm。
所述步骤2在作业时，采用金属有机化合物化学气相沉积法且沿垂直于所述图形化衬底的作业面进行沉积作业。
实施例2：
与实施例1不同的是，在步骤3中D1为1000nm，高度H1为850nm，相邻圆锥体1.1底面间的最短距离d1为2100nm，在步骤4中D2为800nm，高度H2为850nm，所述圆锥腔1.2顶面与相邻圆锥体1.1底面之间的最短距离d2为500nm，所述AlN层1的厚度为1800nm。
实施例3：
与实施例1不同的是，在步骤3中D1为1100nm，高度H1为900nm，相邻圆锥体1.1底面间的间距d1为2200nm，在步骤4中D2为900nm，高度H2为900nm，所述圆锥腔1.2顶面与相邻圆锥体1.1底面之间的最短距离d2为600nm，所述AlN层1的厚度为2000nm。
实施例4：
与实施例1不同的是，在步骤5中所述多量子阱发光层的生长周期数为2个，在第二周期中生长的InGaN阱层的层厚为3nm，在第二周期中生长的GaN垒层的层厚为8nm。
实施例5：
与实施例1不同的是，在步骤5中所述多量子阱发光层的生长周期数为12个，从第二周期开始，每个生长周期的InGaN阱层的层厚均为5nm，每个生长周期的GaN垒层的层厚均为10nm。
对比例1：
与实施例1不同的是，未设置步骤3。
对比例2：
与实施例1不同的是，未设置步骤4。
对比例3：
与实施例1不同的是，将步骤5中多量子阱发光层中的InGaN阱层和GaN垒层的生长顺序颠倒，即在每个周期中先生长GaN垒层，再生长InGaN阱层。
对比例4：
与实施例2不同的是，在步骤3中D1为950nm，高度H1为800nm，相邻圆锥体1.1底面间的最短距离d1为2050nm，在步骤4中D2为750nm，高度H2为800nm，所述圆锥腔1.2顶面与相邻圆锥体1.1底面之间的最短距离d2为450nm，所述AlN层1的厚度为1750nm。
对比例5：
与实施例3不同的是，在步骤3中D1为1150nm，高度H1为950nm，相邻圆锥体1.1底面间的最短距离d1为2250nm，在步骤4中D2为950nm，高度H2为950nm，所述圆锥腔1.2顶面与相邻圆锥体1.1底面之间的最短距离d2为650nm，所述AlN层1的厚度为2050nm。
对比例6：
与实施例1不同的是，在步骤5中第一周期生长的多量子阱发光层的厚度为700nm。
对比例7：
与实施例1不同的是，在步骤5中第一周期生长的多量子阱发光层的厚度为1000nm。
对比例8：
与实施例1不同的是，在步骤4中，高度H2＞H1，H2为900nm。
对比例9：
与实施例1不同的是，在步骤4中，高度H2＜H1，H2为850nm。
对比例10：
与实施例5不同的是，从第二周期开始，每个生长周期的InGaN阱层的层厚均为6nm，每个生长周期的GaN垒层的层厚均为11nm。
对比例11：
与实施例5不同的是，从第二周期开始，每个生长周期的InGaN阱层的层厚均为2nm，每个生长周期的GaN垒层的层厚均为7nm。
由实施例1-5和对比例1-11所述的LED外延片的制作方法制作的LED外延片，均随机抽出100颗样品做以下光电性能实验，实验结果参见表1，其中实验过程如下：
所有样品在相同的前工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500nm，相同的条件下镀保护层SiO2约100nm，然后在相同的条件下将所有样品研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片颗粒，之后将样品在相同位置各自挑选100颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品的光电性能。
表1由实施例1-5和对比例1-11中100颗样品的各项光电性能实验结果的平均情况
经表1数据知，由实施例1-5所制得的100颗样品的各项光电性能实验结果的平均情况较好，且实施例5最好，是因为适当增多多量子阱发光层的生长周期数，可以增加载流子的数量，从而可以提高LED外延片的亮度。而由对比例1-2所制得的100颗样品的各项光电性能实验结果的平均情况最差，主要原因是对比例1未设置圆锥体1.1的生长步骤，对比例2未设置圆锥腔1.2的生长步骤。由对比例3所制得的100颗样品的各项光电性能实验结果的平均情况较差，主要原因是GaN垒层与AlN层之间的晶格失配度要比InGaN阱层与AlN层之间的晶格失配度大，先生长GaN垒层会产生更大的应力，使得量子阱范围内形成电场(压电效应)，从而影响到多量子阱发光层中能带，使能带发生弯曲，而能带弯曲又会导致发光波长的偏移，进而导致对比例3所制备的LED外延片各项光电性能实验结果的平均情况较差。由对比例4-11所制得的100颗样品的各项光电性能实验结果的平均情况均差于本发明实施例1-5，主要原因是D1、H1、d1、D2、d2、AlN层厚度、第一周期生长的多量子阱发光层的厚度、每个周期生长的InGaN阱层的层厚以及每个周期生长的GaN垒层的层厚的取值范围均在本发明所保护的取值范围之外，导致对比例4-11所制备的LED外延片各项光电性能实验结果的平均情况均差于本发明实施例1-5。
本发明中实施例1-5所制得的100颗样品的各项光电性能实验结果的平均情况较好的原理解释如下：
(1)通过步骤3和步骤4在AlN层上间隔制作圆锥体和圆锥腔，不仅能够提升LED外延片的发光效率，即亮度，还可以提升LED外延片的抗静电能力，并提高LED外延片波长集中度，即提高波长均匀性。
(2)通过步骤5在AlN层上生长多个周期的多量子阱发光层，使得多量子阱发光层中的空穴很容易通过圆锥腔侧壁注入至更深的多量子阱发光层中，可以降低LED外延片的工作电压和改善电子与空穴空间上的不均匀分布。此外，圆锥体能够释放多量子阱发光层中的失配应力，有利于并入更多的In组分，这对于长波长InGaN黄绿光量子阱层的生长是极为有利的，这意味着更容易获得相同波长，提高LED外延片波长集中度，且更容易提高InGaN量子阱的生长温度，使生长的LED外延片晶体质量更好，从而确保LED外延片的光电性能更好。步骤5中第一周期生长的多量子阱发光层正好把圆锥腔填充满，可以有效去除圆锥腔内的富In团簇等晶体缺陷，使圆锥腔区域内的多量子阱发光层晶体质量提高，并在一定程度上抑制非辐射复合，增强多量子阱发光层的发光效率。
(3)步骤3中所述圆锥体的设计有助于多量子阱发光层中原子释放LED外延片内应力，原子填充均匀向上，能提高LED外延片内原子均匀性。步骤4中圆锥腔的设计有助于阻断多量子阱发光层直接平行向上推移时缺陷的向上延伸，降低位错密度，提高LED外延片晶体质量。所述步骤3、步骤4和步骤5的结合能够提升LED外延片的亮度、增强抗静电能力、提高波长的集中度，还能降低LED外延片的正向电压。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种LED外延片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤3、在AlN层上间隔制作多个凸起的圆锥体；
步骤4、在AlN层上间隔制作多个凹陷且倒置的圆锥腔，所述圆锥腔与圆锥体交错设置且两两不相连；
步骤5、在AlN层上周期性生长多个多量子阱发光层，每个所述多量子阱发光层均包括依次生长的InGaN阱层和GaN垒层，其中，第一周期生长的多量子阱发光层用于填满所述步骤4中的圆锥腔，从第二周期开始，后一周期生长的多量子阱发光层均位于包含AlN层和前一周期生长的多量子阱发光层的整体结构上；
所述步骤3中，所述圆锥体的底面直径D1为1000-1100nm，高度H1为850-900nm，相邻圆锥体底面间的最短距离d1为2100-2200nm；
所述步骤4中，所述圆锥腔的顶面直径D2为800-900nm，高度H2=H1，所述圆锥腔顶面与相邻圆锥体底面之间的最短距离d2为500-600nm。
2.根据权利要求1所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，在所述步骤5中，第一周期生长的InGaN阱层的层厚D3与第一周期生长的GaN垒层的层厚D4相等，且D3+D4=H2。
3.根据权利要求2所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，在所述步骤5中，所述多量子阱发光层的生长周期数为2-12个，从第二周期开始，在单个生长周期内，InGaN阱层的层厚为3-5nm，GaN垒层的层厚为8-10nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，所述步骤3中圆锥体的制作方法如下：首先在AlN层上涂满光刻胶，接着对位于AlN层上非圆锥体制作区域的光刻胶采用曝光和显影处理，然后通过干法刻蚀在对应位置制作出圆锥体，最后将AlN层上的残余胶体清洗干净。
5.根据权利要求4所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，所述步骤4中圆锥腔的制作方法如下：首先在AlN层上涂满光刻胶，接着对位于AlN层上非圆锥腔制作区域的光刻胶采用曝光和显影处理，然后通过干法刻蚀在对应位置制作出圆锥腔，最后将AlN层上的残余胶体清洗干净。
6.根据权利要求5所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，在所述步骤3之前还包括以下步骤：
步骤1、制作图形化衬底；
步骤2、在所述图形化衬底上依次生长缓冲层GaN、非掺杂GaN层、掺杂Si的N型GaN层以及AlN层；
在所述步骤5之后还包括步骤6，所述步骤6是在步骤5所述的多量子阱发光层上依次生长电子阻挡层和P型半导体层以制备得到LED外延片。
7.根据权利要求6所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，所述AlN层的厚度为1800-2000nm。
8.根据权利要求7所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，所述步骤2在作业时，采用金属有机化合物化学气相沉积法且沿垂直于所述图形化衬底的作业面进行沉积作业。
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