CN212750917U - 一种led外延片 - Google Patents

Abstract

一种LED外延片，包括从衬底向上依次生长的ALN薄膜、第一U型铝镓氮层、第二U型铝镓氮层、N型铝镓氮层、应力释放GaN层，InGaN/GaN有源区、P型GaN层、重掺杂P型GaN接触层；所述第一U型铝镓氮层的上表面具有纳米级凹凸图案。本方案的外延片通过设计第一U型GaN层上的凹凸图案及其子图案，再次进行外延第二U型GaN层的生长，能够使得在侧向生长过程中部分位错逐渐合并，同时在侧向生长的过程中，部分蓝宝石和ALN层产生的位错发生弯曲，相互湮灭，有效降低了U型GaN薄膜的位错密度，从而最终获得了表面平整，位错密度低的高品质LED外延片，可有效提升MicroLED的质量。

Description

一种LED外延片

技术领域

本实用新型涉及一种发光二极管制作中的结构设计。

背景技术

MicroLED由于其对比传统LCD有着高亮、高对比度、高分辨率、长寿命等技术优势，未来将全面应用于手机屏、户内户外显示屏等领域。要实现Micro LED，GaN外延技术至关重要，首先Micro LED对GaN外延片的电性一致性要求很高，目前GaN外延片都是在蓝宝石衬底进行GaN基LED生长，由于蓝宝石衬底和GaN材料失配较大的问题，导致GaN基外延结构中存在大量的位错，结果导致伏安特性一致性较差，因此降低GaN结构中位错密度对MicroLED外延片是一个技术难点。

现有技术存在以下问题：目前降低GaN外延结构的位错方法分为两种，一种是在蓝宝石衬底生长GaN结构前，首先在蓝宝石上溅射一层ALN薄膜缓冲层，然后在MOCVD设备反应腔体内，保持腔体在一定的压力下，在ALN薄膜上进行U型GaN(非掺杂型氮化镓)外延生长，再进行N型GaN(N型氮化镓)，在一定程度上可以减少N型GaN结构里的位错，但是由于AL-N键能强，高品质的ALN薄膜很难制作，同时ALN和GaN之间仍然存在较大的晶格失配和热失配，同样会给GaN材料引入较高的位错密度，另外一种方法是在U型GaN生长之后和电子提供层N型氮化镓中间生长一层ALGaN，在ALGaN上生长N型GaN，也可以在一定程度上减少GaN结构里的位错，但是底部ALN和U型GaN(非掺杂型氮化镓)之间带来的大量位错，仍然会经过氮化镓穿透进N型层中。

发明内容

为此，需要提供一种能够降低GaN结构里位错密度的外延片，解决现有技术中GaN位错密度过高的问题。

一种LED外延片，包括从衬底向上依次生长的ALN薄膜、第一U型铝镓氮层、第二U型铝镓氮层、N型铝镓氮层、应力释放GaN层，InGaN/GaN有源区、P型GaN层、重掺杂P型GaN接触层；

所述第一U型铝镓氮层的上表面具有纳米级凹凸图案。

具体地，所述纳米级凹凸图案的厚度为5-10nm。

具体地，所述纳米级凹凸图案的宽度为150-500nm。

具体地，所述第一U型铝镓氮层的厚度为1um-1.5um。

可选地，所述ALN薄膜厚度200-300nm。

优选的，所述纳米级凹凸图案包括若干子图案，所述子图案的水平方向投影为正六边形、正方形或圆形。

具体地，所述纳米级凹凸图案为多个子图案的重复排列，相互排列的间距为0.25-0.5um。

本方案的外延片通过设计第一U型GaN层上的凹凸图案及其子图案，再次进行外延第二U型GaN层的生长，能够使得在侧向生长过程中部分位错逐渐合并，所谓侧向生长即为水平方向，材料在垒晶过程中，都是存在喜好的，不加干预的时候，材料都是喜欢往上长，这样的晶体质量就非常差，所以要进行干涉，让晶体在水平方向(专业术语即为侧向生长方向)也进行生长，这样的晶体质量比较好，在侧向生长的过程中，部分蓝宝石和ALN层产生的位错发生弯曲，相互湮灭，有效降低了U型GaN薄膜的位错密度，从而最终获得了表面平整，位错密度低的高品质LED外延片，可有效提升MicroLED的质量。

附图说明

图1为具体实施方式所述的LED外延片制作方法流程示意图；

图2为具体实施方式所述的LED外延片结构示意图。

附图标记说明

1、衬底：

2、ALN薄膜；

3、第一U型铝镓氮层；

4、第二U型铝镓氮层；

5、N型铝镓氮层；

6、应力释放GaN层；

7、InGaN/GaN有源区；

8、P型GaN层；

9、重掺杂P型GaN接触层。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1，为一种LED的外延片制作方法，包括如下步骤，

S101、在衬底上溅射ALN薄膜；

S102、在所述ALN薄膜上生长第一U型铝镓氮层；

S103、对第一U型铝镓氮层进行图形化处理，形成上表面有纳米级凹凸图案的图形化的第一U型铝镓氮层；

S104、在第一U型铝镓氮层上生长第二U型铝镓氮层；

S105、在第二U型铝镓氮层上依次生长N型铝镓氮层、应力释放GaN层，InGaN/GaN有源区、P型GaN层、重掺杂P型GaN接触层。

以下针对上述方案展开具体说明：

S101、在衬底上溅射ALN薄膜；利用PECVD设备在蓝宝石(01)面上溅射200-300nm厚度的ALN薄膜。

在一些具体的实施例中，溅射以高纯度AL靶材和氩气等离子气体、氧气等离子气体、氮气等离子气体为反应源，进行磁控溅射，温度参数为400-800℃，优选温度为475-500℃。ALN厚度200-300nm，优选厚度为250nm，氧气流量为0.5-3sccm，优选用为为2.5sccm，氮气用量为30-300sccm，优选用量为90sccm。

S102、利用MOCVD，在上述ALN薄膜的缓冲层上继续生长厚度1um-1.5um厚度的U型GaN；即第一U型铝镓氮层。U型GaN层是LED的一种常见结构，全称为非掺杂型GaN(U指UnDopping)，其目的是在生长N型GaN前，生长一层U型GaN作为铺垫层。所述第一U型铝镓氮层的生长厚度为1um-1.5um。

S103、对第一U型铝镓氮层进行图形化处理，形成上表面有纳米级凹凸图案的图形化的第一U型铝镓氮层。所述纳米级凹凸图案遍布整个上表面，如图2中所示，所述纳米级凹凸图案为若干子图案在水平面上的重复排列，所述子图案可以为正六边形、正方形或圆形中的一种或多种。所述纳米级凹凸图案中单个正六边形、正方形或圆形的宽度为150-500nm。纳米级凹凸图案的厚度为5-10nm。

S104、在第一U型铝镓氮层上生长第二U型铝镓氮层；S105、在第二U型铝镓氮层上依次生长N型铝镓氮层、应力释放GaN层，InGaN/GaN有源区、P型GaN层、重掺杂P型GaN接触层。最终完成LED外延片的制作。

通过将U型GaN进行图形化处理后，再次进行外延侧向生长，可以有效提升侧向生长的效率，在侧向生长过程中部分位错逐渐合并，同时在侧向生长的过程中，部分蓝宝石和ALN层产生的位错发生弯曲，相互湮灭，有效降低了U型GaN薄膜的位错密度，从而最终获得了表面平整，位错密度低的高品质LED外延片，可有效应用于MicroLED的制作。

具体的实施例中，S103、对第一U型铝镓氮层进行图形化处理；具体包括步骤，在第一U型铝镓氮层上沉积一层图案层，所述图案层包括一层或者多层薄膜，所述图案层为SiO₂或SiN_x或有机胶材料，厚度为30-150nm；在所述图案层上均匀涂布一层压印胶，主要用来转移图形，通过纳米压印技术把图形转移至图案层上，纳米压印技术是现存的技术，可采用设备为紫外软模纳米压印设备，型号GD-N-03。再用电感耦合等离子刻蚀设备将图形转移至第一U型铝镓氮层。通过上述方案，能够达成第一U型铝镓氮层的图形化处理的制作。

具体地，步骤S102的第一U型铝镓氮层生长过程中使用的气体为氨气、氢气、氮气的混合气体，氨气的比例大于或者等于40％，金属有机源为三甲基镓。

进一步地，步骤S101所述的溅射具体为，高纯度AL靶材和氩气、氧气、氮气等离子气体为反应源，进行磁控溅射，使用温度为400-800℃，优选温度为475-500℃，ALN厚度200-300nm。

其他一些实施例中，具体包括如下步骤，S301用磁控溅射的方式在蓝宝石上溅射一定厚度的ALN：首先对4英寸蓝宝石进行表面处理，高温800℃烘烤5-10min，再通入N2，进行等离子辉光处理，然后再采用磁控溅射方法生长ALN薄膜，磁控溅射的温度500℃，厚度选200nm。

S302在MOCVD反应腔体中沉积U型GaN薄膜：长温度控制在1050℃左右，生长压力控制在150Torr；0032以800-1000转/min转速进行生长；U型GaN生长过程中，通入反应腔体的气体为N2、H2、NH3的混合气体，混合气体的体积之和要小于150L，U型GaN生长过程中，通入反应腔体的金属源为三甲基镓，三甲基镓的使用量通过NH3和金属有机源的摩尔流量比来决定，NH3和金属源的摩尔比350-500之间。

S303对U型GaN进行图形化处理，具体步骤如下：(1)退火降温，进行清洗，使用酒精、丙酮和去离子水配比1：1：1的溶液进行震荡清洗，清洗后通过显微镜50倍下检查，particle数量不能超过3颗。(2)使用PECVD设备在U型GaN上蒸镀30nm厚度的SiO2,再通过匀胶机设备涂布450nm厚度的压印胶。(3)将周期0.3-0.5um，圆形直径宽度200nm的图形通过纳米压印设备转移至压印胶，再利用电感耦合等离子刻蚀设备，将图形依次从压印胶转移至图案层SiO2，SiO2转移至U型GaN层，清洗烘干。

继续MOCVD设备反应腔体内在图形化U型GaN上侧向生长1um U型氮化镓，生长温度控制在1100℃，生长压力控制在150Torr。上述方案将S302和S303步骤进行严格配合控制，S302和S303步骤生长温度、转速、NH3和三甲基镓源的比例三个参数的优化选择，可以对GaN侧向聚合过程进行精准监控及控制处理，可以有效的控制GaN侧向聚合过程中的位错，就可以实现对台面上贯穿位错的高效消除，极大程度上减少位错密度的产生，另外一方面，通过对图形化U型GaN工艺参数的优化和改变，可以有效的减少GaN聚合过程中相邻岛状晶粒间的差异，也会减少位错的增加，达到较传统的U型GaN薄膜位错密度下降约30％。

S304依次进行N型GaN和应力释放GaN层，InGaN/GaN有源区，P型GaN,重掺杂P型GaN接触层的生长，得到低位错密度的氮化镓基MicroLED外延片。

上述实施例S301-S304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160弧秒和95弧秒，对比传统方式生长的LED外延片，其102和002面摇摆曲线半宽高(FWHM)值分别为230弧秒和190弧秒，说明该方法明显提高了LED外延片的晶体质量。

在图2所示的具体实施例中，我们还介绍一种LED外延片，包括从衬底01向上依次生长的ALN薄膜02、第一U型铝镓氮层03、第二U型铝镓氮层04、N型铝镓氮层05、应力释放GaN层06，InGaN/GaN有源区07、P型GaN层08、重掺杂P型GaN接触层09；所述第一U型铝镓氮层03的上表面具有纳米级凹凸图案，所述纳米级凹凸图案为多个子图案031的重复排列，相互排列的间距为0.25-0.5um。本实施例的外延片通过设计第一U型GaN层上的凹凸图案及其子图案，再次进行外延第二U型GaN层的生长，能够使得在侧向生长过程中部分位错逐渐合并，同时在侧向生长的过程中，部分蓝宝石和ALN层产生的位错发生弯曲，相互湮灭，有效降低了U型GaN薄膜的位错密度，从而最终获得了表面平整，位错密度低的高品质LED外延片，可有效提升MicroLED的质量。

具体地，所述纳米级凹凸图案的厚度为5-10nm。

具体地，所述纳米级凹凸图案的宽度为150-500nm。

具体地，所述第一U型铝镓氮层的厚度为1um-1.5um。

可选地，所述ALN薄膜厚度200-300nm。

优选的，所述纳米级凹凸图案包括若干子图案，所述子图案的水平方向投影为正六边形、正方形或圆形。

本方案通过上述设计，能够更好地提升LED外延片的性能。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本实用新型的专利保护范围。因此，基于本实用新型的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种LED外延片，其特征在于，包括从衬底向上依次生长的ALN薄膜、第一U型铝镓氮层、第二U型铝镓氮层、N型铝镓氮层、应力释放GaN层，InGaN/GaN有源区、P型GaN层、重掺杂P型GaN接触层；

所述第一U型铝镓氮层的上表面具有纳米级凹凸图案。

2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述纳米级凹凸图案的厚度为5-10nm。

3.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述纳米级凹凸图案的宽度为150-500nm。

4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一U型铝镓氮层的厚度为1um-1.5um。

5.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述ALN薄膜厚度200-300nm。

6.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述纳米级凹凸图案包括若干子图案，所述子图案的水平方向投影为正六边形、正方形或圆形。

7.根据权利要求6所述的LED外延片，其特征在于，所述纳米级凹凸图案为多个子图案的重复排列，相互排列的间距为0.25-0.5um。

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