CN107086256B - 一种发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的制造方法，属于半导体技术领域。包括：提供一衬底；在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型氮化镓层、有源层、电子阻挡层、P型氮化镓层；高温缓冲层包括(n+1)个氮化镓层和n个铝镓氮层，n为正整数，(n+1)个氮化镓层和n个铝镓氮层交替层叠设置，(n+1)个氮化镓层的生长温度沿发光二极管外延片的生长方向逐层升高，(n+1)个氮化镓层的生长速率沿发光二极管外延片的生长方向逐层加快，n个铝镓氮层中铝组分含量沿发光二极管外延片的生长方向逐层增加。本发明利用氮化镓层生长温度和铝镓氮层中铝组分含量的提高，弥补生长速率提高而产生的缺陷，实现生长周期的缩短和生产成本的降低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制造方法。
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被迅速广泛地应用于交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
现有LED的外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型氮化镓层、有源层、电子阻挡层、P型氮化镓层。其中，低温缓冲层和高温缓冲层均为采用恒定条件(包括温度、压力和速率等)生长的氮化镓层，不同之处在于，低温缓冲层的生长温度低于高温缓冲层的生长温度。生长低温缓冲层时，氮化镓在衬底上平铺一层之后，由于生长温度较低，因此原子的迁移率较低，氮化镓的垂直生长快于横向生长，形成若干排列整齐的岛状晶核。生长高温缓冲层时，由于生长温度较高，因此原子的迁移率较高，氮化镓的横向生长快于垂直生长，相邻岛状晶核之间的凹陷处被填平，形成平整的表面以进行后续生长。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
提高生长速率可以缩短生产周期，降低生产成本，但同时也会产生一定的缺陷，影响晶体质量。由于高温缓冲层为有源层等外延片中最重要的部分的生长提供平整的表面，因此高温缓冲层生长的好坏关系到外延片整体的质量，因此目前不能提高高温缓冲层的生长速率实现生产周期和成本的减少。
发明内容
为了解决现有技术不能提高高温缓冲层的生长速率实现生产周期和成本的减少的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型氮化镓层、有源层、电子阻挡层、P型氮化镓层；
其中，所述高温缓冲层包括(n+1)个氮化镓层和n个铝镓氮层，n为正整数，所述(n+1)个氮化镓层和所述n个铝镓氮层交替层叠设置，所述(n+1)个氮化镓层的生长温度沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层升高，所述(n+1)个氮化镓层的生长速率沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层加快，所述n个铝镓氮层中铝组分含量沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层增加。
可选地，n≤5。
可选地，相邻两个所述氮化镓层的生长温度的差值为5～50℃。
优选地，相邻两个所述氮化镓层的生长温度的差值为10～40℃。
可选地，所述(n+1)个氮化镓层的厚度沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层增加。
可选地，所述n个铝镓氮层的厚度沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层增加。
可选地，各个所述铝镓氮层的厚度均小于或等于50nm。
优选地，各个所述铝镓氮层的厚度均为20～50nm。
可选地，所述高温缓冲层的厚度小于或等于3μm。
优选地，所述高温缓冲层的厚度为1～3μm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
由于生长温度越高晶体质量越好，因此逐渐升高高温缓冲层中氮化镓层的生长温度，可以利用温度的升高提高晶体质量，弥补生长速率加快所产生的缺陷。同时在高温缓冲层中***铝镓氮层，铝镓氮层中的铝可以阻挡缺陷的延伸，避免缺陷延伸进一步造成晶体质量的降低，达到提高晶体质量的效果。通过将铝镓氮层中铝组分含量逐渐增加，可以对生长速率加快所产生的缺陷起到有效的阻挡作用，进一步提高晶体质量，避免由于逐渐加快高温缓冲层中氮化镓层的生长速率而影响晶体质量。而且氮化镓层的生长温度和铝镓氮层中铝组分含量的变化规律与生长速率一致，生长速率逐渐加快，产生的缺陷越大，同时生长温度越高，铝组分含量越多，对缺陷的阻挡作用越强，可以有效弥补高温缓冲层的生长速率提高而产生的缺陷，实现生长周期的缩短和生产成本的降低。
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外延片的制造方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的高温缓冲层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的发光二极管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。
实施例
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，在本实施例中，采用Veeco K465i or C4金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称：MOCVD)设备实现LED外延片的制造。采用高纯氢气(H2)或高纯氮气(N2)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为氮源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力控制在100～600torr。
具体地，参见图1，该生长方法包括：
步骤200：提供一衬底。
在本实施例中，衬底为蓝宝石。
步骤201：对衬底进行预处理。
具体地，该步骤201可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5～6min。
其中，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～500torr。
步骤202：在衬底上生长低温缓冲层。
在本实施例中，低温缓冲层为氮化镓层，厚度可以为15～30nm。生长低温缓冲层时，反应室温度可以为530～560℃，反应室压力可以控制在200～500torr。
具体地，低温缓冲层生长在蓝宝石的[0001]面上。
步骤203：在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
在本实施例中，如图2所示，高温缓冲层3包括(n+1)个氮化镓层31和n个铝镓氮层32，n为正整数，(n+1)个氮化镓层31和n个铝镓氮层32交替层叠设置(图2以n＝2为例，本发明不限于此)。(n+1)个氮化镓层的生长温度沿发光二极管外延片的生长方向逐层升高，(n+1)个氮化镓层的生长速率沿发光二极管外延片的生长方向逐层加快，n个铝镓氮层中铝组分含量沿发光二极管外延片的生长方向逐层增加。
在实际应用中，生长速率的加快可以采用如下方式中的一种或多种实现：
1、增加镓源通入的流量；
2、降低生长压力；
3、提升生长温度。
由于生长温度越高晶体质量越好，因此逐渐升高高温缓冲层中氮化镓层的生长温度，可以利用温度的升高提高晶体质量，弥补生长速率加快所产生的缺陷。同时在高温缓冲层中***铝镓氮层，铝镓氮层中的铝可以阻挡缺陷的延伸，避免缺陷延伸进一步造成晶体质量的降低，达到提高晶体质量的效果。通过将铝镓氮层中铝组分含量逐渐增加，可以对生长速率加快所产生的缺陷起到有效的阻挡作用，进一步提高晶体质量，避免由于逐渐加快高温缓冲层中氮化镓层的生长速率而影响晶体质量。而且氮化镓层的生长温度和铝镓氮层中铝组分含量的变化规律与生长速率一致，生长速率逐渐加快，产生的缺陷越大，同时生长温度越高，铝组分含量越多，对缺陷的阻挡作用越强，可以有效弥补高温缓冲层的生长速率提高而产生的缺陷，实现生长周期的缩短和生产成本的降低。
可选地，n≤5，避免由于层数太多而对晶体质量产生不良影响，以及增加生长时间。
可选地，相邻两个氮化镓层的生长温度的差值可以为5～50℃。若相邻两个氮化镓层的生长温度的差值小于5℃，则相邻两个氮化镓层的生长温度相差太少，起不到温度升高的作用；若相邻两个氮化镓层的生长温度的差值大于50℃，则相邻两个氮化镓层的生长温度相差太大，生长速率无法随之变化，对高温缓冲层的表面形貌造成不良影响，高温缓冲层的表面不平整，影响后续各层的生长，最终影响到外延片的性能和良率。
优选地，相邻两个氮化镓层的生长温度的差值可以为10～40℃，既能起到升高生长温度的缺陷阻挡效果，也能避免造成不良影响。
可选地，(n+1)个氮化镓层的厚度可以沿发光二极管外延片的生长方向逐层增加。随着氮化镓层生长温度的升高，晶体质量越来越好，氮化镓层的厚度随之增加，可以提高所有氮化镓层中晶体质量好的氮化镓层的比例，从而提高氮化镓层整体的晶体质量。
可选地，n个铝镓氮层的厚度可以沿发光二极管外延片的生长方向逐层增加，从而逐渐增加相邻两个铝镓氮层中铝原子的数量，逐渐增强对缺陷的阻挡作用，有效弥补高温缓冲层的生长速率提高而产生的缺陷，实现生长周期的缩短和生产成本的降低。
可选地，各个铝镓氮层的厚度可以均小于或等于50nm，避免相邻两个铝镓氮层中铝杂质的数量太多而产生裂纹。
优选地，各个铝镓氮层的厚度可以均为20～50nm，既能有效地阻挡缺陷，也能避免裂纹产生。
可选地，高温缓冲层的厚度可以小于或等于3μm，避免在起不到更好效果的情况下，白白增加生长成本和周期。
优选地，高温缓冲层的厚度可以为1～3μm，确保起到填平低温缓冲层的作用。
步骤204：在高温缓冲层上生长N型氮化镓层。
在本实施例中，N型氮化镓层中掺有硅，厚度可以为2～3μm。生长N型氮化镓层时，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～300torr。
步骤205：在N型氮化镓层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括多个铟镓氮层和多个氮化镓层，多个铟镓氮层和多个氮化镓层交替层叠设置。其中，铟镓氮层的厚度为2～3nm，氮化镓层的厚度为8～11nm。铟镓氮层和氮化镓层的层数相同，氮化镓层的层数的层数为11～13层，有源层的厚度为130～160nm。
具体地，生长有源层时，反应室压力控制在200torr。生长铟镓氮层时，反应室温度为760～780℃。生长氮化镓层时，反应室温度为860～890℃。
步骤206：在有源层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为掺杂镁的铝镓氮(AlGaN)层。其中，铝镓氮层为AlyGa1-yN层，0.15≤y≤0.25，厚度可以为30～50nm。生长电子阻挡层时，反应室温度可以为930～970℃，反应室压力可以控制在100torr。
步骤207：在电子阻挡层上生长P型氮化镓层。
在本实施例中，P型氮化镓层为掺杂高于设定浓度镁的氮化镓层，厚度可以为50～80nm。生长P型氮化镓层时，反应室温度可以为940～980℃，反应室压力可以控制在200～600torr。
步骤208：活化P型氮化镓层。
具体地，该步骤208可以包括：
在氮气气氛下，持续处理P型氮化镓层20～30min。其中，反应室温度可以为650～750℃。
需要说明的是，活化P型氮化镓层主要是P型氮化镓层中掺杂的镁，使镁活化后产生更多的空穴，避免由于不活化而导致欧姆接触差，引起芯片亮度低和电压高的情况。
图3为本发明实施例最终制造的发光二极管外延片的结构示意图，如图3所示，低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型氮化镓层4、有源层5、电子阻挡层6、P型氮化镓层7依次生长在衬底1上。
下面分别对第一样品和第二样品在相同的工艺条件下镀120nm的氧化铟锡金属氧化物(英文：Indium Tin Oxides，简称：ITO)层，130nm的Cr/Pt/Au电极和50nm的SiO2保护层，并分别将处理后的第一样品和第二样品研磨切割成457μm*889μm(18mi*35mil)的芯粒和305μm*653μm(12mi*25mil)的芯粒。其中，第一样品是采用传统的发光二极管外延片的制造方法得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管外延片的制造方法得到的。
接着在处理后的第一样品和第二样品的相同位置各自挑选200颗晶粒，在相同的工艺条件下，封装成白光LED。采用积分球分别在驱动电流150mA和120mA条件下测试来自于第一样品的晶粒和来自于第二样品的晶粒的光电性能。
结果显示，来自于第二样品的晶粒与比来自于第一样品的晶粒相比，抗静电能力均有明显提升，说明本实施例提供的制造方法制造的外延片的晶体质量较好。
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 (9)
1.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型氮化镓层、有源层、电子阻挡层、P型氮化镓层；
其中，所述高温缓冲层包括(n+1)个氮化镓层和n个铝镓氮层，n为正整数，所述(n+1)个氮化镓层和所述n个铝镓氮层交替层叠设置，所述(n+1)个氮化镓层的生长温度沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层升高，所述(n+1)个氮化镓层的生长速率沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层加快，所述n个铝镓氮层中铝组分含量沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层增加；相邻两个所述氮化镓层的生长温度的差值为5～50℃。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，n≤5。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，相邻两个所述氮化镓层的生长温度的差值为10～40℃。
4.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述(n+1)个氮化镓层的厚度沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层增加。
5.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述n个铝镓氮层的厚度沿所述发光二极管外延片的生长方向逐层增加。
6.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，各个所述铝镓氮层的厚度均小于或等于50nm。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，各个所述铝镓氮层的厚度均为20～50nm。
8.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述高温缓冲层的厚度小于或等于3μm。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述高温缓冲层的厚度为1～3μm。
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