本发明属于半导体
技术领域：
，具体涉及一种垂直结构LED紫光外延结构及其制备方法。
背景技术：
：随着科技进步和新型能源发展，固态LED照明将成为未来世界发光的趋势，由于LED具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热等优点，已经大面积地应用于交通指示灯、交通信号灯、景观装饰灯、显示屏、汽车尾灯、手机背光源等领域。目前市场上的LED等主要以蓝绿光为主，红黄光次之，紫光及紫外的LED产品比较少，主要由于紫光的LED制造难度大、光效低。随着LED应用的发展，紫光LED的市场需求越来越大，普遍应用于医疗器械、医学测量、卫生消毒、验钞点钞检验设备、防伪行业、生物统计安全性检测，涵盖医疗、卫生、金融、生物、检测、公共安全等各个方面。目前紫光LED外延生长技术还不够成熟，一方面受制于紫光生长材料特性，另一方面是由于紫光LED能带结构的影响，导致了目前紫光LED芯片的发光效率较低，制备成本高，难度大，成品率低等。因此，如何制备高功率的紫光LED芯片成为非常迫切的需求。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种垂直结构LED紫光外延的结构及其制备方法，适合波长范围365-420nm，能够很大程度降低紫光LED的正向电压，同时提升紫光LED外延的内量子效率，并有效提高了紫光LED器件的可靠性。本发明采用以下技术方案：一种垂直结构LED紫光外延的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在1070～1090℃温度下、压力为150torr下通N2烘烤10～30min，氮化蓝宝石、SiC或Si衬底，衬底厚度为430～450μm；步骤2：将步骤1氮化后的蓝宝石、SiC或Si衬底降温至515～535℃、压力为800torr，然后在衬底上生长厚度为15～35nm的基底，随后升温至1030～1050℃、压力为400torr使基底重新结晶，再生长1.8～2.5μm的u-GaN修复层；步骤3：升温至1070～1090℃、压力为200torr先生长轻Si掺杂的n-GaN层，厚度为500～600nm，再生长重Si掺杂的n-GaN层，厚度为300～400nm；步骤4：在所述重Si掺杂n-GaN层的基础上生长n-AlGaN电流扩展层，厚度为80～240nm；步骤5：在n-AlGaN层的基础上生长Si掺杂的n+GaN层，厚度为2～4μm，随后生长不掺Si的n-GaN层500～600nm；步骤6：在阱的生长温度740～760℃，垒的生长温度为820-840℃、压力为200torr下生长10～20个周期的不掺杂Al的InGaN/GaN超晶格，再生长8个周期Al掺杂的InGaN/AlGaN；所述多量子阱层厚度为250～350nm；步骤7：升温至960～980℃，压力为150torr生长PAlGaN层，厚度为1～200nm；降温至920～940℃，压力为150torr生长轻Mg掺杂的P+GaN层，厚度为0.1～0.2μm；生长重Mg掺杂的P++GaN层，厚度为5～20nm；步骤8：生长CTL层，厚度为10～30nm。优选的，步骤1中，所述衬底厚度为430μm。优选的，步骤2中，所述u-GaN修复层厚度为2μm。优选的，步骤4中，n-AlGaN电流扩展层厚度为200nm。优选的，所述步骤6中先生长10～20个周期厚度为80～120nm的不掺杂Al的InGaN/GaN超晶格，具体为：先生长30～40nm的GaN-cap层，再生长5～15nm的barrierGaN层，最后生长1.5～5nm的InGaN阱层。优选的，所述步骤6中，再生长8个周期厚度为100～150nm的Al掺杂的InGaN/AlGaN，具体为：先生长5～15nm的barrierInGaN层，再生长1.5～5nm的AlGaN阱层，最后生长30～40nm的GaN-cap层。优选的，步骤8中，CTL层生长完毕后，降温至710～730℃进行退火60-120min，之后随炉冷却。一种垂直结构LED紫光外延结构，包括依次生长的以下各层：蓝宝石衬底；u-GaN修复层及基底；n-GaN轻掺过渡层；n-GaN重掺；n-AlGaN层；重掺n-GaN层；n-GaN轻掺电流扩展层；MQWS层；掺杂p型AlGaN阻挡层；掺杂p型GaN层；掺杂pp型GaN层；CTL层，其中，所述外延结构的波长分布区间为360～410nm。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种垂直结构LED紫光外延的制备方法，以氨气、TMIn、TMAl、TEGa、以及TMGa为源，分别以SiH4和Cp2Mg作为n和p型掺杂剂，以氢气或氮气为载气，通入反应室与氨气在900～1100℃发生化学反应，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，在蓝宝石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉积，制成外延结构，可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等，生长速率调节范围较广，较快的生长速率能够适用于批量生长。进一步的，采用修复层外延结构设计，在衬底和外延层之间插入修复层和基底，有效减小外延层与衬底之间的适配度，同时对外延结构优化进一步释放外延层应力。翘曲度小于250km-1。低位错密度外延，通过预成核方法，在外延生长之前于衬底上形成晶体质量较好晶核，提供后续外延高质量生长的基础。位错密度低于5E108/cm2。进一步的，多量子阱层为非对称啁啾能带结构，在LED有源层加载非对称啁啾能带结构，降低基于LED量子阱层由于极化效应产生的载子波函数失配，使其分布比例更加均匀。提高LED器件的内量子效率，提升芯片发光效率。进一步的，通过工艺参数优化和调整将外延材料晶体质量(缺陷密度)控制在合理范围，晶体质量对产品的光电参数都存在一定的影响。一种垂直结构LED紫光外延结构采用修复层及基底技术提高衬底转移良品率，氮化镓材料、蓝宝石衬底以及键合衬底之间若存在严重应力不匹配状况，会导致衬底转移良率降低，修复层及基底技术可以良好的释放衬底与外延层之间应力。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。【附图说明】图1为本发明外延结构示意图。【具体实施方式】在外延生长结构设计上，需兼顾衬底和外延层晶格匹配、外延剥离和外延质量两方面因素。使其对于缓冲层生长调整、外延缺陷控制和不同材料间应力调节控制的要求，比水平芯片要更加复杂和困难。所以必须设计开发出适合于垂直结构芯片专用的外延结构，改善和提升垂直结构芯片应力控制和产品光电性能。因此专有外延设计是其核心工艺技术之一，也是获得垂直结构芯片的首要条件之一。请参阅图1所示，本发明一种垂直结构LED紫光外延结构，其特征在于，包括依次生长的以下各层：蓝宝石衬底；u-GaN修复层及基底；n-GaN轻掺过渡层；n-GaN重掺；n-AlGaN层；重掺n-GaN层；n-GaN轻掺电流扩展层；MQWS层；掺杂p型AlGaN阻挡层；掺杂p型GaN层；掺杂pp型GaN层；CTL层，其中，所述外延结构的波长分布区间为440～460nm。金属有机化学气相沉积技术利用有机金属材料作为反应物，采用热分解反应进行气相外延薄膜生长的技术，蓝绿光LED以金属有机物(MO源)和氨气(NH3)为原料，硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)为掺杂物，以氢气(或氮气)作为载气，携带MO源通入反应腔中，与氨气在1000℃左右发生化学反应，生成三五族化合物半导体，在蓝宝石或碳化硅上按一定的晶格次序沉积，获得预先设计结构外延片。本发明还公开了一种垂直结构LED紫光外延的制备方法，分别以氨气、高纯三甲基铟(TMIn)、TMAl、TEGa、以及高纯三甲基镓(TMGa)为源，分别以SiH4和Cp2Mg作为n和p型掺杂剂，以氢气或氮气为载气，通入反应室与氨气在900～1100℃发生化学反应，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，在蓝宝石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉积，制成所述外延结构。包括如下步骤：步骤1：在1070-1090℃温度下、压力为150torr下通N2烘烤10～30min，氮化蓝宝石、SiC或Si衬底，衬底厚度为430～450μm；步骤2：将步骤1氮化后的蓝宝石、SiC或Si衬底降温至515～35℃、压力为800torr，然后在衬底上生长厚度为15～35nm的基底，随后升温至1030～1050℃、压力为400torr使基底重新结晶，再生长1.8～2.5μm的u-GaN修复层，原料为TMGa和NH3；所述TMGa的体积流量为200sccm，所述NH3的体积流量为35000sccm；步骤3：升温至1070～1090℃、压力为200torr先生长轻Si掺杂的n-GaN层，厚度为500～600nm，再生长重Si掺杂的n-GaN层，厚度为300～400nm；原料为TMGa、SiH4和NH3；所述TMGa的体积流量为340sccm，所述SiH4的体积流量为3～6.5sccm，所述NH3的体积流量为35000sccm；步骤4：在所述重Si掺杂n-GaN层的基础上生长n-AlGaN电流扩展层，厚度为80～240nm，原料为TMGa、SiH4、NH3和TMAl；所述TMGa的体积流量为340sccm，所述SiH4的体积流量为3～6.5sccm，所述NH3的体积流量为3～6.5sccm，所述TMAl的体积流量为100sccm；步骤5：在n-AlGaN层的基础上生长Si掺杂的n+GaN层，厚度为2～4μm，随后生长不掺Si的n-GaN层500～600nm，原料为TMGa、SiH4和NH3；所述TMGa的体积流量为340sccm，所述SiH4的体积流量为3～6.5sccm，所述NH3的体积流量为35000sccm；步骤6：在阱的生长温度740-760℃，垒的生长温度为820-840℃、压力为200torr下生长10～20个周期的InGaN/AlInGaN超晶格，再生长8个周期Al掺杂的InGaN/AlGaN；构成多量子阱层，所述多量子阱层厚度为250～300nm；具体为：先生长10-20个周期厚度为80～120nm的不掺杂Al的InGaN/GaN超晶格，具体为：先生长30～40nm的GaN-cap层，原料为TMGa、SiH4和NH3，所述TMGa的体积流量为340sccm，所述SiH4的体积流量为0.5sccm，所述NH3的体积流量为30000sccm；再生长5～15nm的barrierGaN层，原料为TEGa、SiH4和NH3，所述TEGa的体积流量为450sccm，所述SiH4的体积流量为0.5sccm，所述NH3的体积流量为36000sccm；最后生长1.5～5nm的InGaN阱层，原料为TEGa、TMIn和NH3；所述TEGa的体积流量为450sccm，所述TMIn的体积流量为570sccm，所述NH3的体积流量为36000sccm；再生长8个周期厚度为100～150nm的Al掺杂的InGaN/AlGaN，具体为：先生长5～15nm的barrierInGaN层，原料为TEGa、TMIn、SiH4和NH3，所述TEGa的体积流量为450sccm，所述SiH4的体积流量为0.5sccm，所述TMIn的体积流量为570sccm，所述NH3的体积流量为36000sccm；再生长1.5～5nm的AlGaN阱层，原料为TEGa、TMAl和NH3，重复8个周期，所述TEGa的体积流量为450sccm，所述TMAl的体积流量为100sccm，所述NH3的体积流量为36000sccm；最后生长30～40nm的GaN-cap层，原料为TMGa、SiH4和NH3，所述TMGa的体积流量为340sccm，所述SiH4的体积流量为0.5sccm，所述NH3的体积流量为36000sccm；步骤7：升温至960～980℃，压力为150torr生长PAlGaN层，厚度为1～200nm，原料为TMGa、TMAl、Cp2Mg和SiH4，所述TMGa的体积流量为38sccm，所述TMAl的体积流量为100sccm，所述Cp2Mg的体积流量为1800sccm，所述SiH4的体积流量为0.5sccm；降温至920～940℃，压力为150torr生长Mg掺杂的P+GaN层，厚度为0.1～0.2μm，原料为TMGa、Cp2Mg和NH3，所述TMGa的体积流量为38sccm，所述Cp2Mg的体积流量为1600sccm，所述NH3的体积流量为30000sccm；生长高Mg掺杂的P++GaN层，厚度为5-20nm，原料为TMGa、Cp2Mg和NH3，所述TMGa的体积流量为38sccm，所述Cp2Mg的体积流量为1600sccm，所述NH3的体积流量为30000sccm；步骤8：生长CTL层，厚度为10～30nm，生长完毕后，降温至710-730℃进行退火60-120min，之后随炉冷却。实施例1一种垂直结构LED紫光外延的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在1070℃温度下、压力为150torr下通N2烘烤10min，氮化蓝宝石、SiC或Si衬底，衬底厚度为430μm；步骤2：将步骤1氮化后的蓝宝石、SiC或Si衬底降温至515℃、压力为800torr，然后在衬底上生长厚度为15nm的基底，随后升温至1030℃、压力为400torr使基底重新结晶，再生长1.8μm的u-GaN修复层；步骤3：升温至1070℃、压力为200torr先生长轻Si掺杂的n-GaN层，厚度为500nm，再生长重Si掺杂的n-GaN层，厚度为300nm；步骤4：在所述重Si掺杂n-GaN层的基础上生长n-AlGaN电流扩展层，厚度为80nm；步骤5：在n-AlGaN层的基础上生长Si掺杂的n+GaN层，厚度为2μm，随后生长不掺Si的n-GaN层500nm；步骤6：在阱的生长温度740℃，垒的生长温度为820℃、压力为200torr下先生长10个周期厚度为80nm的不掺杂Al的InGaN/GaN超晶格，包括：先生长30nm的GaN-cap层，再生长5nm的barrierGaN层，最后生长1.5nm的InGaN阱层；再生长8个周期厚度为100nm的Al掺杂的InGaN/AlGaN，包括：先生长5nm的barrierInGaN层，再生长1.5nm的AlGaN阱层，最后生长30nm的GaN-cap层。步骤7：升温至960℃，压力为150torr生长PAlGaN层，厚度为1nm；降温至920℃，压力为150torr生长轻Mg掺杂的P+GaN层，厚度为0.1μm；生长重Mg掺杂的P++GaN层，厚度为5nm；步骤8：生长CTL层，厚度为10nm，生长完毕后，降温至710℃进行退火60min，之后随炉冷却。实施例2一种垂直结构LED紫光外延的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在1080℃温度下、压力为150torr下通N2烘烤20min，氮化蓝宝石、SiC或Si衬底，衬底厚度为440μm；步骤2：将步骤1氮化后的蓝宝石、SiC或Si衬底降温至525℃、压力为800torr，然后在衬底上生长厚度为25nm的基底，随后升温至1040℃、压力为400torr使基底重新结晶，再生长2.1μm的u-GaN修复层；步骤3：升温至1080℃、压力为200torr先生长轻Si掺杂的n-GaN层，厚度为550nm，再生长重Si掺杂的n-GaN层，厚度为350nm；步骤4：在所述重Si掺杂n-GaN层的基础上生长n-AlGaN电流扩展层，厚度为160nm；步骤5：在n-AlGaN层的基础上生长Si掺杂的n+GaN层，厚度为3μm，随后生长不掺Si的n-GaN层550nm；步骤6：在阱的生长温度750℃，垒的生长温度为830℃、压力为200torr下先生长15个周期厚度为100nm的不掺杂Al的InGaN/GaN超晶格，包括：先生长35nm的GaN-cap层，再生长10nm的barrierGaN层，最后生长3.5nm的InGaN阱层；再生长8个周期厚度为130nm的Al掺杂的InGaN/AlGaN，包括：先生长10nm的barrierInGaN层，再生长3.5nm的AlGaN阱层，最后生长35nm的GaN-cap层。步骤7：升温至970℃，压力为150torr生长PAlGaN层，厚度为100nm；降温至930℃，压力为150torr生长轻Mg掺杂的P+GaN层，厚度为0.15μm；生长重Mg掺杂的P++GaN层，厚度为10nm；步骤8：生长CTL层，厚度为20nm，生长完毕后，降温至720℃进行退火90min，之后随炉冷却。实施例3一种垂直结构LED紫光外延的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在1090℃温度下、压力为150torr下通N2烘烤30min，氮化蓝宝石、SiC或Si衬底，衬底厚度为450μm；步骤2：将步骤1氮化后的蓝宝石、SiC或Si衬底降温至535℃、压力为800torr，然后在衬底上生长厚度为35nm的基底，随后升温至1050℃、压力为400torr使基底重新结晶，再生长2.5μm的u-GaN修复层；步骤3：升温至1090℃、压力为200torr先生长轻Si掺杂的n-GaN层，厚度为600nm，再生长重Si掺杂的n-GaN层，厚度为400nm；步骤4：在所述重Si掺杂n-GaN层的基础上生长n-AlGaN电流扩展层，厚度为240nm；步骤5：在n-AlGaN层的基础上生长Si掺杂的n+GaN层，厚度为4μm，随后生长不掺Si的n-GaN层600nm；步骤6：在阱的生长温度760℃，垒的生长温度为840℃、压力为200torr下先生长20个周期厚度为120nm的不掺杂Al的InGaN/GaN超晶格，包括：先生长40nm的GaN-cap层，再生长15nm的barrierGaN层，最后生长5nm的InGaN阱层；再生长8个周期厚度为150nm的Al掺杂的InGaN/AlGaN，包括：先生长15nm的barrierInGaN层，再生长5nm的AlGaN阱层，最后生长40nm的GaN-cap层。步骤7：升温至980℃，压力为150torr生长PAlGaN层，厚度为200nm；降温至940℃，压力为150torr生长轻Mg掺杂的P+GaN层，厚度为0.2μm；生长重Mg掺杂的P++GaN层，厚度为20nm；步骤8：生长CTL层，厚度为30nm，生长完毕后，降温至730℃进行退火120min，之后随炉冷却。下表为垂直结构LED紫光外延结构技术指标测试项目项目约定指标实测数据测试条件波长360nm-410nm360nm-410nm10msec@20mA正向工作电压/2.9-3.2V10msec@20mA波长分布半宽＜3.5nm≤2nm2mmx2mm间隔，PL测试仪本发明垂直结构LED紫光外延结构表面形貌：表面形貌是外延片评价指标之一，反映外延生长工艺控制能力的优劣。利用高倍光学显微镜和原子力显微镜(AFM)，可以观察外延片表面平整度及其原子级排布状况，从而获取外延晶体质量生长信息。在光学显微镜图中，外延表面光滑平整无明显缺陷；AFM测试图片证明氮化镓表面原子排布整齐，原子台阶清晰。利用TEM检测手段，可以获取详细外延片的外延层结构状况以及纳米级别的原子分布图像。外延晶体质量是衡量LED外延片等级的一项重要参考指标。利用高分辨率XRD测试，分析XRD图中摇摆曲线半峰宽值来评价外延薄膜的晶体质量。晶体质量对摇摆曲线的影响表现在半峰宽的宽化效应，两者存在对应关系。从XRD测试结果计算获得外延结构的螺位错和刃位错缺陷密度，新光源外延片(002)面半峰宽值为293arcsec,其(102)面半峰宽值为312arcsec。刃位错的缺陷密度约为2.82×108cm-2，螺位错的缺陷密度约为1.65×108cm-2，缺陷控制均处于较好的水平。本发明垂直结构LED紫光外延结构材料载流子浓度：N型GaN掺杂原子为Si，P型GaN掺杂原子为Mg。为满足垂直结构LED大电流工作，需要较高的N型GaN电子浓度和P型GaN空穴浓度。在GaN单晶材料中掺入杂质原子越多，获得的晶体质量越差，最终会导致载流子迁移率降低。在室温条件下进行Hall测试，N型GaN载流子浓度在1018cm-3范围时，载流子迁移率超过200cm2/vs为良好。新光源样品在同等条件下测试，迁移率达到372.44cm2/vs，材料性能优良。Mg掺杂p-GaN形成空穴困难，空穴浓度低，迁移率小，导致P型氮化镓材料电流扩展性差，接触电阻较大，发光亮度、发光效率低等问题。采用非均匀掺杂技术，降低活化能，提高Mg活化效率。在室温条件假进行Hall测试，空穴浓度1018cm-3以上，属于业内先进水平。本发明垂直结构LED紫光外延结构波长均匀性控制：外延片发光波长直接影响外延芯片的波长良品率。制备过程中，波长均匀性控制难度较高，采用应力释放技术对特殊结构调整生长速率以达到均匀生长的效果，同时对设备硬件、生产工艺进行控制，有效提高了外延片波长均匀性。同炉外延片中波长80％上下均差在5nm之内。外延片波长分布区间在450nm-460nm之间，同时波长分布半宽都在2nm以内。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。当前第1页1 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