一种提高led亮度的双缓冲层横向外延生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体电子信息领域，特别涉及一种新的LED外延生长方法。
【背景技术】
[0002]GaN基LED发光二极管以其使用寿命长，安全可靠性强，节能环保等优势，成为继白炽灯、节能灯之后的第三代高效固态光源，LED已广泛应用到交通灯，汽车尾灯，广告显视屏，手机电视背光源和白光照明灯领域，应用前景非常广阔。目前大多采用MOCVD设备在蓝宝石衬底上生长GaN基LED，然而蓝宝石衬底和GaN材料的晶格常数存在较大的失配(16%),导致在GaN外延薄膜产生高达109_101(lCm_2的线位错密度，高的线位错密度将影响外延薄膜的光学和电学特性，从而使器件的可靠性和内量子效率降低。因此，降低外延晶体中的位错密度是提高LED器件光电性能最有效的方法。
[0003]近年来，横向外延生长技术(ELOG)由于其能有效降低外延层中的位错密度而引起了很多研宄者的兴趣，横向生长会使外延层中位错的方向发生改变，使位错从垂直方向改变为水平方向，最终在水平方向上煙灭。传统ELOG方法过程为:首先采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长一层无掺杂的GaN，然后在其表面生长一层Si02膜层，然后利用黄光技术，在表面涂布一层光刻胶，对Si02膜层进行局部保护，并将其放入BOE中腐蚀，最终在GaN表面保留所需的Si02区域。由于Si02和GaN之间存在很大的晶格失配，在Si02表面不会生长GaN，只能在GaN表面继续生长GaN，并且会向Si02表面发生横向外延生长，最终完全覆盖Si02区域。在此过程中，晶体中的位错会发生横行弯曲，并在合并过程中发生煙灭。有效降低外延层中的位错密度，提高晶体质量。但传统横向外延方法存在工艺过程复杂，二次外延过程耗时和易在操作过程中引起样品二次污染等原因，还未能在工业生产中得到有效利用。
【发明内容】
[0004]为了解决【背景技术】中所存在的技术问题，本发明是一种新的LED外延生长方法，能有效提升LED外延的晶体质量和发光效率。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，包括以下步骤:
[0006]I)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一 AlxGal-xN buffer缓冲层，其中O ^ X ^ I ；
[0007]2)高温生长一层具有六角锥形的阵列微坑第一 U-GaN层；
[0008]3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二低温AlxGal-xNbuffer缓冲层，其中O ^ X ^ I ；
[0009]4)高温生长第二 U-GaN层，完全覆盖第一 U-GaN层的六角锥形的阵列微坑，在微坑处形成空腔，并且形成平整表面；
[0010]5)依次生长掺杂SiH4的η-GaN层、多量子阱有源层、掺杂P型AlGaN阻挡层、掺杂P型GaN层；
[0011]6)在氮气氛围下退火。
[0012]第一层buffer层厚度为5nm-30nm，第一层U-GaN层厚度为1.3um_4.0um，第二层buffer 层厚度为 5nm-40nm，第二 U-GaN 厚度为 1.0um-2.0um。
[0013]第一层buffer层生长温度为450 °C -600 °C，第一层U-GaN层生长温度为950 °C -1100 °C，第二层buffer层生长温度为600 °C -700 °C，第二 U-GaN层生长温度为1000C -1200。。。
[0014]采用如权利要求1所述方法制得的LED外延片，包括锥形PSS基底、缓冲层、U-GaN层、掺杂SiH4的η-GaN层、多量子阱有源层、掺杂P型AlGaN阻挡层以及掺杂P型GaN层；其特征在于:所述缓冲层和U-GaN层整体上分为依次生长的第一缓冲层、第一 U-GaN层、第二缓冲层以及第二U-GaN层，其中第一 U-GaN层表面为具有六角锥形阵列微坑的结构，第二U-GaN层完全覆盖第一 U-GaN层的六角锥形微坑，形成空腔。
[0015]有益效果:
[0016]I)在蓝宝石衬底上生长一层具有六角锥形的阵列微坑，使微坑周围区域的GaN中，由于GaN和蓝宝石衬底之间晶格失配产生的应力在微坑处得到有效释放，减少应力产生的位错，提高该区域的晶体质量。在此区域GaN基础上生长buffer-2，即实现了 GaN衬底上生长GaN，能得到具有更少缺陷、更小内应力和更少晶体取向差异的晶核。为后续GaN的生长提供良好的基础，从而提尚外延晶体质量。
[0017]2)由于微坑的存在，在外延生长过程中，会在微坑附近发生横向外延生长，即后续生长的外延层会覆盖在微坑上方，并在微坑处形成一空腔。与传统ELOG方法相对比，本发明不仅达到了横向外延生长，提高晶体质量的目的，而且工艺过程更加简捷、省时，并有效避免了 ELOG方法带来的样品二次污染等问题。
[0018]3)本发明会在外延层中形成倒六角锥型的空腔，增加了光线在LED内部的全反射，减少了晶体对光线的吸收，提高LED的光提取效率。
【附图说明】
[0019]图1为嵌入微坑侧视图；
[0020]图2为嵌入微坑俯视图；
[0021]图3为LED的外延整体结构示意图；
【具体实施方式】
[0022]本发明通过MOCVD技术，在圆锥形PSS蓝宝石衬底上完成整个外延过程。本发明中采用了双低温缓冲层的生长方法，首先在蓝宝石衬底上生长一层低温buffer-1 ;然后在一定温度下生长一层的无掺杂U-GaN-Ι，其表面嵌入阵列分布倒六角锥形微坑，如图1，图2所示；之后在NH3环境中对样品进行高温退火，再降至低温，再生长第二层buffer-2，之后再生长一层无掺杂的高温U-GaN-2，使其覆盖在微型空洞上，并形成一空腔；接着再生长一层掺杂SiH4的n-GaN，之后再生多量子阱有源层，然后生长掺杂p型AlGaN阻挡层，最后生长一层掺杂P型GaN层，如附图2。
[0023]本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，和氮源，硅源，镁源。本发明LED外延的具体生长结构和细节为:
[0024]实施例一，
[0025]1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100°C烘烤10分钟，。
[0026]2.降温度520°C生长一层厚度为20nm的低温buffer-Ι层，生长压力为500torro
[0027]3.升温至1050 °C生长一层约厚度2.0um的无掺杂U-GaN-1层，生长压力为10torr0
[0028]4.在NH3环境中，升温至1170°C，退火5min，压力为200torr。
[0029]5.降温至650°C生长一层厚度为20nm的低温buffer-2层，生长压力为500torro
[0030]6.再升温至1160°C生长一层约厚度1.0um的无掺杂U-GaN-2层，生长压力为10torr0
[0031]7.升温至1170 °C，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的η-GaN层，生长压力位10torr0
[0032]8.切换载气，由氢气变为氮气，压力为lOOtorr，生长多量子阱层。
[0033]9.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185°C，150torr，生长一层P型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为10torr0
[0034]10.温度1080°C，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长压力位lOOtorr。
[0035]11.切换气体，由氢气变为氮气，在氮气氛围下1200°C中退火20min。
[0036]此生长过程结束。
[0037]实施例二，
[0038]1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100°C烘烤10分钟，。
[0039]2.降温至650°C生长一层厚度为20nm的低温buffer-2层，生长压力为500torro
[0040]3.再升温至1160°C生长一层约厚度1.0um的无掺杂U-GaN-2层，生长压力为10torr0
[0041]4.升温至1170 °C，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的η-GaN层，生长压力位10torr0
[0042]5.切换载气，由氢气变为氮气，压力为lOOtorr，生长多量子阱层。
[0043]6.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185°C，150torr，生长一层P型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为10torr0
[0044]7.温度1080°C，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长压力位lOOtorr。
[0045]8.切换气体，由氢气变为氮气，在氮气氛围下1200°C中退火20min。
[0046]此生长过程结束。对比本发明外延生长方法(实施例一)与传统外延生长方法制备的外延片(实施例二)在同等芯片工艺条件下制备的芯片数据，本发明制备芯片较传统方法制备芯片的光效提升了约20%。明显提高了 LED的发光效率。
【主权项】
1.一种提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一AlxGal-xN buffer缓冲层，其中O ^ X ^ I ； 2)高温生长一层具有六角锥形的阵列微坑第一U-GaN层； 3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二低温AlxGal-xNbuffer缓冲层，其中OSxSl; 4)高温生长第二U-GaN层，完全覆盖第一 U-GaN层的六角锥形的阵列微坑，在微坑处形成空腔，并且形成平整表面； 5)依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN 层； 6)在氮气氛围下退火。2.根据权利要求1所述的提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，其特征在于: 第一层buffer层厚度为5nm?30nm，第一层U-GaN层厚度为1.3um?4.0um,第二层buffer 层厚度为 5nm ?40nm，第二 U-GaN 厚度为 1.0um ?2.0um。3.根据权利要求1所述的提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，其特征在于: 第一层buffer层生长温度为450°C?600°C，第一层U-GaN层生长温度为950 °C?1100°C，第二层buffer层生长温度为600°C?700°C，第二 U-GaN层生长温度为1000°C?1200。。。4.采用如权利要求1所述方法制得的LED外延片，包括锥形PSS基底、缓冲层、U-GaN层、掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂P型AlGaN阻挡层以及掺杂P型GaN层；其特征在于:所述缓冲层和U-GaN层整体上分为依次生长的第一缓冲层、第一 U-GaN层、第二缓冲层以及第二U-GaN层，其中第一 U-GaN层表面为具有六角锥形阵列微坑的结构，第二U-GaN层完全覆盖第一 U-GaN层的六角锥形微坑，形成空腔。
【专利摘要】本发明是一种提高LED亮度的双缓冲层横向外延生长方法，包括以下步骤：1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一AlxGa1-xN buffer缓冲层，其中0≤x≤1；2)高温生长一层具有六角锥形的阵列微坑第一U-GaN层；3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二低温AlxGa1-xN buffer缓冲层；4)高温生长第二U-GaN层,完全覆盖第一U-GaN层的六角锥形的阵列微坑，在微坑处形成空腔；5)依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层；6)在氮气氛围下退火。本发明的方法在蓝宝石衬底上生长一层具有六角锥形的阵列微坑，在此区域GaN基础上生长buffer-2，即实现了GaN衬底上生长GaN，能得到具有更少缺陷、更小内应力和更少晶体取向差异的晶核。
【IPC分类】H01L33/12, H01L33/10, H01L33/00, H01L33/22, H01L33/32
【公开号】CN104900774
【申请号】CN201510231154
【发明人】张璐, 商毅博, 于春丽, 邹丹, 李渝
【申请人】西北工业大学明德学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月7日