本申请涉及LED外延设计应用
技术领域：
，具体地说，涉及一种改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法。
背景技术：
：目前LED(LightEmittingDiode，发光二极管)是一种固体照明，体积小、耗电量低使用寿命长高亮度、环保、坚固耐用等优点受到广大消费者认可，国内生产LED的规模也在逐步扩大。近年，直接带隙半导体材料GaN被广泛应用于发光二极管器件。利用直流磁控反应溅射设备再蓝宝石衬底上制备AlN薄膜，再利用金属有机化学气相沉淀(metal-organicchemicalvapordeposition,MOCVD)可制备更高晶体质量的GaN基材料，这种溅射AlN生长GaN外延技术正在逐步取代传统的两步生长法(先在异质衬底上低温生长GaN、AlN、AlGaN等缓冲层经过高温退火后生长GaN、AlN、AlGaN等材料)。但由于蓝宝石和AlN材料存在较大的晶格失配和热失配，导致该技术生长的外延片片内性能均匀性较差，如波长、厚度、亮度等，严重困扰技术的推广。技术实现要素：有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，通过引入应力释放层，能明显弱化晶格失配和热失配带来的负面效应，改善了外延片片内波长、厚度、亮度的均匀性，有利于溅射AlN生长GaN外延技术的广泛推广。为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：一种改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，其特征在于，依次包括：处理图形化蓝宝石衬底、生长应力释放层、生长非掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长多量子阱有源层、生长电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层、降温冷却，其中，所述处理图像化蓝宝石衬底，为：利用直流磁控反应溅射设备将所述蓝宝石衬底温度加热到500℃-700℃，通入Ar、N2和O2，用200V～300V的偏压冲击铝靶在所述蓝宝石衬底表面上溅射10nm～200nm厚的AlN薄膜；所述生长应力释放层，为：将溅射好所述AlN薄膜的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，升高温度到500℃-1000℃，保持反应腔压力为150mbar～600mbar，生长厚度为10nm-200nm的应力释放层，所述应力释放层为GaN基材料，具体为：非掺杂的GaN、掺Si的GaN、或掺Mg的GaN、AlGaN、InGAN、AlInGaN。优选地，其中：所述掺Si的GaN中，Si掺杂浓度为0atoms/cm3-2E+19atoms/cm3；所述掺Mg的GaN、AlGaN、InGAN、AlInGaN中，Mg掺杂浓度为0atoms/cm3-1+E21atoms/cm3。优选地，其中：所述生长非掺杂GaN层，为：升高温度到1000℃～1200℃，保持反应腔压力为150mbar～600mbar，生长厚度为1μm～4μm的非掺杂GaN层。优选地，其中：所述生长掺杂Si的N型GaN层，为：保持反应腔温度为1000℃～1200℃，压力为150mbar～600mbar，在150mbar～300mbar的氢气气氛下生长厚度为1μm～4μm的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E+18atoms/cm3～2E+19atoms/cm3。优选地，其中：所述生长多量子阱有源层，为：降低温度到700℃～750℃，保持反应腔压力为300mbar～400mbar，在氮气气氛下，生长厚度为2.5nm-3.5nm的InxGa(1-x)N势阱层，其中，x＝0.15～0.25，In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3～5E+20atoms/cm3；然后升高温度至800℃～850℃，保持反应腔压力不变，生长厚度为8nm～12nm的GaN势垒层；交替生长所述势阱层和所述势垒层，生长周期为6～15，制得InxGa(1-x)N/GaN多量子阱有源层。优选地，其中：所述生长电子阻挡层，为：升高温度到800℃～900℃，在200mbar～400mbar的反应腔压力下，生长厚度为10nm～200nm的P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1～0.3，Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3～3E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为5E+18atoms/cm3～1E+19atoms/cm3。优选地，其中：所述生长掺杂Mg的P型GaN层，为：升高温度到930℃～950℃，在200mbar～600mbar的反应腔压力下，生长30nm～300nm的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E+19atoms/cm3～1E+20atoms/cm3。优选地，其中：所述降温冷却，为：降低温度至700℃～800℃，进行炉内退火20min～30min，接着冷却至室温。与现有技术相比，本申请所述的方法，达到了如下效果：(1)本发明改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，与传统方法相比，加入了应力释放层，该应力释放层具有比高温GaN更好的松弛度，能很好释放GaN与AlN模板直接的晶格应力，改善了外延生长时wafer的翘曲，使片内温度变得更加均匀，即提高了外延生长时片内长速的一致性，因此提高了GaN材料的厚度均匀性。(2)本发明改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，加入的应力释放层很好的释放了GaN材料因晶格失配带来的应力，使wafer在生长量子阱时的片内温度变均匀，因而得到较高的波长一致性。(3)本发明改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，加入应力释放层后，wafer表面温度变得均匀，使外延在生长每个结构时的一致性都得到提高，发光强度自然也具有更好的均匀性；另外，波长的均匀性的提高表明样品A的量子阱区域InGaN分布更均匀，有利于提高外延片的亮度及其均匀性。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为本发明改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法的流程图；图2为本发明中LED外延层的结构示意图；图3为对比实施例中LED外延层的结构示意图；图4为使用PL测试样品A和样品B的GaN基材料厚度的分布对比图；图5为使用PL测试样品A和样品B波长的分布对比图；图6为使用PL测试样品A和样品B的发光强度的分布对比图；其中，1、图形化蓝宝石衬底，2、溅射A1N缓冲层，3、u型GaN层，4、n型GaN层，5、多量子阱有源层，6、P型AlGaN层，7、P型GaN层，8、应力释放层。具体实施方式如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。实施例1本发明运用型号为iTopA230的RMS设备在PSS上溅射AlN薄膜作为GaN外延生长的缓冲层，其载气为高纯氮气(N2)、高纯氦气(Ar)及少量高纯氧气(O2)，靶材为高纯金属铝(Al)，直流溅射电压为200-300V。采用veeco公司型号为K465i的MOCVD设备来生长高亮度GaN基LED外延片，以高纯氢气(H2)、高纯氮气(N2)作为载气，高纯氨气(NH3)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(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。本发明所提供的改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，依次包括：处理图形化蓝宝石衬底、生长应力释放层、生长非掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长多量子阱有源层、生长电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层、降温冷却，其中，所述处理图像化蓝宝石衬底，为：利用直流磁控反应溅射设备将所述蓝宝石衬底温度加热到500℃-700℃，通入Ar、N2和O2，用200V～300V的偏压冲击铝靶在所述蓝宝石衬底表面上溅射10nm～200nm厚的AlN薄膜；所述生长应力释放层，为：将溅射好所述AlN薄膜的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，升高温度到500℃-1000℃，保持反应腔压力为150mbar～600mbar，生长厚度为10nm-200nm的应力释放层，所述应力释放层为GaN基材料，具体为：非掺杂的GaN、掺Si的GaN、或掺Mg的GaN、AlGaN、InGAN、AlInGaN。上述掺杂Si的GaN中，Si掺杂浓度为0-2E+19atoms/cm3；掺Mg的GaN、AlGaN、InGAN、AlInGaN中，Mg掺杂浓度为0-1+E21atoms/cm3。本发通过的应力释放层，能明显弱化晶格失配和热失配带来的负面效应，改善了外延片片内波长、厚度、亮度的均匀性，有利于溅射AlN生长GaN外延技术的广泛推广。实施例2以下提供本发明的改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法的应用实施例，其外延结构参见图2，生长方法参见图1。运用型号为iTopA230的RMS设备在PSS上溅射AlN薄膜作为GaN外延生长的缓冲层，其载气为高纯氮气(N2)、高纯氦气(Ar)及少量高纯氧气(O2)，靶材为高纯金属铝(Al)，直流溅射电压为200-300V。采用veeco公司型号为K465i的MOCVD设备来生长高亮度GaN基LED外延片，以高纯氢气(H2)、高纯氮气(N2)作为载气，高纯氨气(NH3)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(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。具体生长方式如下：步骤101、处理图形化蓝宝石衬底：利用直流磁控反应溅射设备将所述蓝宝石衬底温度加热到500℃-700℃，通入Ar、N2和O2，用200V～300V的偏压冲击铝靶在所述蓝宝石衬底表面上溅射10nm～200nm厚的AlN薄膜。步骤102、生长应力释放层：将溅射好所述AlN薄膜的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，升高温度到500℃-1000℃，保持反应腔压力为150mbar～600mbar，生长厚度为10nm-200nm的应力释放层，所述应力释放层为GaN基材料，具体可为：非掺杂的GaN、掺Si的GaN、或掺Mg的GaN、AlGaN、InGAN、AlInGaN。上述掺杂Si的GaN中，Si掺杂浓度为0-2E+19atoms/cm3；掺Mg的GaN、AlGaN、InGAN、AlInGaN中，Mg掺杂浓度为0-1+E21atoms/cm3。步骤103、生长非掺杂GaN层：升高温度到1000℃～1200℃，保持反应腔压力为150mbar～600mbar，生长厚度为1μm～4μm的非掺杂GaN层。步骤104、生长掺杂Si的N型GaN层：保持反应腔温度为1000℃～1200℃，压力为150mbar～600mbar，在150mbar～300mbar的氢气气氛下生长厚度为1μm～4μm的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E+18atoms/cm3～2E+19atoms/cm3。本申请中，5E18代表5乘以10的18次方也就是5*1018，以此类推，atoms/cm3为掺杂浓度单位，下同。步骤105、生长多量子阱有源层：降低温度到700℃～750℃，保持反应腔压力为300mbar～400mbar,在氮气气氛下，生长厚度为2.5nm-3.5nm的InxGa(1-x)N势阱层，其中，x＝0.15～0.25，In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3～5E+20atoms/cm3；然后升高温度至800℃～850℃，保持反应腔压力不变，生长厚度为8nm～12nm的GaN势垒层；交替生长所述势阱层和所述势垒层，生长周期为6～15，制得InxGa(1-x)N/GaN多量子阱有源层。步骤106、生长电子阻挡层：升高温度到800℃～900℃，在200mbar～400mbar的反应腔压力下，生长厚度为10nm～200nm的P型AlyGa(1-y)N电子阻挡层，其中，y＝0.1～0.3，Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3～3E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为5E+18atoms/cm3～1E+19atoms/cm3。步骤107、生长掺杂Mg的P型GaN层：升高温度到930℃～950℃，在200mbar～600mbar的反应腔压力下，生长30nm～300nm的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E+19atoms/cm3～1E+20atoms/cm3。步骤108、降温冷却：降低温度至700℃～800℃，进行炉内退火20min～30min，接着冷却至室温。实施例3以下提供一种常规GaN基LED器件外延生长方法作为本发明的对比实施例。常规LED外延的生长方法为(外延层结构参见图3)：1、利用直流磁控反应溅射设备将PSS温度加热到500℃-700℃左右，通入氦气(Ar)、氮气(N2)和氧气(O2)，用200V～300V的偏压冲击铝靶在PSS表面上溅射10nm～200nm厚的AlN薄膜。2、将溅射好AlN薄膜的PSS衬底放入MOCVD反应腔，升高温度到1000℃～1200℃，降低压力到150mbar～600mbar，通入NH3防止AlN薄膜分解。3、保持温度在1000℃～1200℃，在150mbar～600mbar的压力下，生长厚度为1μm～4μm的非掺杂GaN层。4、维持反应腔的温度和压力，在150mbar～300mbar的氢气气氛下生长厚度为1μm～4μm的N型GaN层，Si掺杂浓度为5E+18atoms/cm3～2E+19atoms/cm3。5、降温到700℃～750℃，在300mbar～400mbar的氮气气氛下生长厚度为2.5nm-3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15～0.25)势阱层，In掺杂浓度为1E+20atoms/cm3～5E+20atoms/cm3；然后升高温度至800℃～850℃，压力不变，生长厚度为8nm～12nm的GaN势垒层；交替生长势阱层和势垒层6～15周期，制得InxGa(1-x)N/GaN多量子阱有源层。6、升温到800℃～900℃，在200mbar～400mbar的压力下生长10nm～200nm的P型AlyGa(1-y)N(y＝0.1～0.3)电子阻挡层，Al掺杂浓度为1E+20atoms/cm3～3E+20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为5E+18atoms/cm3～1E+19atoms/cm3。7、升温到930℃～950℃，在200mbar～600mbar的压力下生长30nm～300nm的P型GaN层，Mg掺杂浓度为1E+19atoms/cm3～1E+20atoms/cm3。8、最后降温至700℃～800℃，进行炉内退火20～30分钟，接着冷却至室温。在同一机台上，根据本专利描述的方法制备外延片样品A，其外延结构参见图2，根据常规的LED的生长方法(对比实施例的方法)制备样品B，其外延结构参见图3。图2和图3分别是本申请和对比实施例中LED外延结构图，样品A和样品B外延生长方法参数不同点在于图2中的应力释放层，即本发明在溅射A1N缓冲层和非掺杂GaN之间插入厚度为10nm-200nm的应力释放层。表1是样品A和样品B测试PL(光致发光测试仪)后，GaN材料的厚度、波长、发光强度及标准偏差(StdDev,StandardDeviation)的对照表。很显然，本申请在加入应力释放层后，相比样品B而言，样品A外延片厚度的标准偏差、波长的标准偏差和光强的标准偏差都明显减小，也就是说外延片的厚度、波长、发光强度具有更好的均匀性，对外延片制作成芯片后产品的良率提升具有很大帮助。表1外延片样品A和B的厚度、波长、亮度对比表样品厚度/μm厚度STD波长/nm波长STD光强光强STD本发明案例6.890.02456.240.8220.961.17传统案例6.990.07456.696.9814.523.23图4是采用本申请方法制备外延片样品A并使用PL(光致发光测试仪)测试样品GaN基材料厚度的分布图以及采用对比实施例的工艺制备外延片样品B使用PL(光致发光测试仪)测试样品GaN基材料厚度的分布图。从图4可明显看出，采用本申请方法制备的样片A的GaN基材料厚度分布在6.85μm-6.93μm，片内厚度差值为0.08μm，具有很好的均匀性。而采用对比实施例工艺制备的样品B的GaN材料厚度分布在6.88μm-7.07μm，片内厚度差值为0.19μm，均匀性较差。上述样品A的厚度均匀性得到明显改善的原因是：本申请方法中加入的应力释放层具有比高温GaN更好的松弛度，能很好释放GaN与AlN模板直接的晶格应力，改善了外延生长时wafer的翘曲，使片内温度变得更加均匀，即提高了外延生长时片内长速的一致性，因此提高了GaN材料的厚度均匀性。图5是采用本申请方法制备外延片样品A并使用PL(光致发光测试仪)测试样品A波长的分布图以及采用对比实施例的工艺制备外延片样品B使用PL(光致发光测试仪)测试样品B波长的分布图。从图5可看出，样品A的波长分布在455.87nm-457.33nm，差值为1.46nm，具有很好的片内均匀性，而样品B的波长分布在440.6-467.42nm，差值为26.86nm，均匀性很差，对外延片制作成芯片后的帅选工作造成很大困扰。上述样品A的波长均匀性得到明显改善的原因是：加入的应力释放层很好的释放了GaN材料因晶格失配带来的应力，是wafer在生长量子阱时的片内温度变均匀，因而得到较高的波长一致性。图6是采用本申请方法制备外延片样品A并使用PL(光致发光测试仪)测试样品A发光强度的分布图以及采用对比实施例的工艺制备外延片样品B使用PL(光致发光测试仪)测试样品B发光强度的分布图。从图6可看出，样品A的发光强度分布在19.9-21.76，差值为1.86，均匀性很好，而样品B的发光强度分布在8.87-20.34，差值为11.47，均匀性很差。上述样品A具有较高发光强度均匀性的原因是：加入应力释放层后，wafer表面温度变得均匀，使外延在生长每个结构时的一致性都得到提高，发光强度自然也具有更好的均匀性；另外，波长的均匀性的提高表明样品A的量子阱区域InGaN分布更均匀，有利于提高外延片的亮度及其均匀性。综上，本申请所提供的改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，通过引入应力释放层，能明显弱化晶格失配和热失配带来的负面效应，改善了外延片片内波长、厚度、亮度的均匀性，有利于溅射AlN生长GaN外延技术的广泛推广。通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：(1)本发明改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，与传统方法相比，加入了应力释放层，该应力释放层具有比高温GaN更好的松弛度，能很好释放GaN与AlN模板直接的晶格应力，改善了外延生长时wafer的翘曲，使片内温度变得更加均匀，即提高了外延生长时片内长速的一致性，因此提高了GaN材料的厚度均匀性。(2)本发明改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，加入的应力释放层很好的释放了GaN材料因晶格失配带来的应力，使wafer在生长量子阱时的片内温度变均匀，因而得到较高的波长一致性。(3)本发明改善LED芯片性能均匀性的外延生长方法，加入应力释放层后，wafer表面温度变得均匀，使外延在生长每个结构时的一致性都得到提高，发光强度自然也具有更好的均匀性；另外，波长的均匀性的提高表明样品A的量子阱区域InGaN分布更均匀，有利于提高外延片的亮度及其均匀性。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。当前第1页1 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