发光二极管外延结构及其生长方法和发光二极管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种发光二极管外延结构及其生长方法和发光二极管。
【背景技术】
[0002]发光二极管(Lighting Emitting D1de，简称LED)以体积小、寿命长、响应速度快，可靠性高等优点，被广泛应用于多领域的电子设备。
[0003]发光二极管的发光效率主要决定于发光二极管外延机构的外量子效率，而外量子效率是内量子效率与光提取率的乘积，因此提高发光二极管发光效率的方法大致可以从提高外延结构的内量子效率和光提取率两方面入手，由于外延结构多有氮化镓生成，而氮化镓的折射率为2.4，光的出射角为24.6°，因此其光的提取效率比仅为4.5%。
[0004]非辐射复合中心是影响内量子效率的主要原因，非辐射复合中心的降低有助于内量子效率的提高，而位错密度对非辐射复合中心影响极大，降低位错密度有利于非辐射复合中心的降低，但是由于大多数的外延结构在衬底层上属于异质生长，因此电子极易跃迀至位错线附近，使位错密度过高，从而导致内量子效率难以提高。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种发光二极管外延机构及其生长方法和发光二极管，通过阻止非辐射复合的发生，提高发光二极管的发光效率。
[0006]本发明提供一种二极管外延结构的生长方法，其特征在于，包括如下顺序的步骤:
[0007]I)向反应室中的衬底层通入氢气、氨气和第一金属源，在所述衬底层上生成厚度为10?50nm的缓冲生长层；
[0008]2)向所述反应室通入氢气、氨气和第二金属源，所述缓冲生长层生长为厚度为50?3000nm的未掺杂层；
[0009]3)向所述反应室通入氨气、第三金属源和硅原子，在所述未掺杂层上生成厚度为500?3500nm的N型重掺杂层;所述硅原子浓度为I X 119?I X 12q个/cm3;
[0010]4)向所述反应室中通入氮气、氨气、第四金属源、硅原子和三甲基铟，在所述N型重掺杂层上生成厚度为10?6000nm的多量子阱层;其中，所述硅原子浓度为I X 118个/cm3;
[0011]5)向所述反应室中通入氢气、氮气、氨气、第五金属源和镁原子，生成发光二极管外延结构。
[0012]图1为本发明提供的发光二极管外延结构的示意图。如图1所示，本发明的发光二极管外延结构由下至上依次包括衬底层11、未掺杂层12、N型掺杂层13、V型缺陷14、多量子讲层15和P型层16。
[0013]步骤I)中，首先是在衬底层上生成缓冲生长层。由于二极管外延结构多为金属的氮化物，因此在通入反应物之前，需要对反应室中的温度以及压力进行控制从而使氨气和第一金属源能够分解成各自原子而发生化合反应生成金属的氮化物。具体实施过程中，将反应室的温度控制在500?550 °C，压力为400?600托，在氢气气氛的保护下，将氨气与第一金属源通入反应室中，在该反应条件下，第一金属源分解为相应的金属原子，氨气分解为氮原子，从而生成金属氮化物形成外延结构的缓冲生长层。为了能够控制缓冲生长层的厚度，一般的，氢气的体积为(60?180)L，氨气的体积为(25?75)L，第一金属源的注入速度为(30?90 )mL/min，在通入上述反应物后，控制反应室的转速为600r/min，3?5min后，即可在衬底层上成长出厚度为10?50nm的缓冲生长层。
[0014]步骤2)中，缓冲生成层生长为非掺杂层。当缓冲生长层生长结束后，可以将反应室的温度提高至800?1100°C，压力维持在200?600托，依旧在氢气气氛的保护下，向反应室中通入第二金属源和氨气。该步骤中的温度压力条件不仅能够使缓冲生长层发生分解聚合形成均匀分布的成核岛，还能够使新通入的反应物分解为原子并化合为金属氮化物，从而与晶核岛合并并长大，使缓冲生长层生长为未掺入任何杂质的未掺杂层。为了能够控制未掺杂层的厚度，一般的，氢气的体积为(60?180)L，氨气的体积为(25?75)L，第二金属源的注入速度为(100?300)mL/min，在通入上述反应物后，控制反应室的转速为600?1200r/111；[11，20?401]1；[11后，8卩可在衬底层上成长出厚度为50?3000111]1的未掺杂层。为了控制晶核岛的生长速率，可以先将反应室的温度控制在1000°C，压力控制为200托，转速控制在600r/min，反应30min。随后再升高温度至1050°C，减压至200托，转速提升至1200r/min，反应30mino
[0015]步骤3)中，是在未掺杂层上生成N型重掺杂层。本发明中引入的杂原子为硅原子，由于金属源多为ΙΠΑ的金属化合物，经过发明人的大量研究，硅原子作为IVA的非金属原子，与金属源中的金属原子半径差较大，随着氨气与第三金属源生成金属氮化物时，碳原子的引入能够使生成的金属氮化物形成较大的晶格应力，从而会在N型重掺杂层上形成V型缺陷，而该V型缺陷能够有效的阻止电子空穴进入位错线非辐射复合区发生非辐射复合，极大地降低了非辐射复合几率，从而提高二极管的内量子效率，有助于发光二极管发光亮度的提升。因此，为了能够通过硅原子的引入在金属氮化物上形成V型缺陷，需要将硅原子的浓度控制在I X 119-1X 102()个/cm3，该高浓度能够保证V型缺陷的有力生长。
[0016]步骤4)中，是在N型重掺杂层上生成多量子阱层。同样的，在多量子阱层的生长过程中，随着碳原子的加入，继续将V型缺陷引入多量子阱层中，促进V型缺陷的生长，生成势皇较高的量子阱，进一步阻止电子空穴的向位错线附近的跃迀，避免非辐射复合的发生，从而提升发光二极管的发光亮度。
[0017]步骤5)中，是在多量子阱层上生成P型层。当多量子阱层生长结束后，将反应室的温度控制为800?1000°C，压力维持在100?300托，在氢气及氮气气氛保护下，生成金属氮化物，由于反应物中还包含镁原子，因此该镁原子能够有效将生成的金属氮化物，即P型层粗化，由于P型层为外延结构的最表面，因而该粗化结构能够减少量子阱层的光在该发光二极管的外延结构的表面的全反射，提高该发光二极管外延结构的出光率。为了能够控制P型层的厚度，一般的，氢气的体积为(60?180)L，氮气的体积为(30?90)L，氨气的体积为(25?75)L，第五金属源的注入速度为(180?550)mL/min，在通入上述反应物后，控制反应室的转速为1200r/min，7?15min后，即可在上多量子阱层成长出厚度为O?500nm的P型层。至此完成发光二极管外延结构的生长。
[0018]本发明提供的发光二极管外延结构的生长方法，通过在掺杂层和多量子阱层中引入硅原子，并且通过控制硅原子的浓度，使掺杂层和多量子阱层中都出现了 V型缺陷。该V型缺陷能够形成高的电子空穴阻挡势皇较，进一步阻止电子空穴的向位错线附近的跃迀，避免非辐射复合的发生，从而提升发光二极管的发光亮度。
[0019]进一步地，所述第一金属源、第二金属源、第三金属源、第四金属源和第五金属源选自三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝、二乙基镓、二乙基铟和二乙基铝中的一个或多个。由于外延结构多为ΙΠΑ的金属，并且为了能够使金属源能够在高温下易分解为金属原子，所以将第一?第五金属源限定为上述几种化合物。当金属源为几种化合物的混合物时，本发明对化合物之间的比例不做限定。
[0020]进一步地，步骤3)包括:控制所述反应室的温度为1060°C，压力为400托，向所述反应室通入氨气、第三金属源和娃原子，反应(25?65 )min后，在所述未掺杂层上生成厚度为500?3500nm的N型掺杂层;其中，所述氨气为(15?45)L，第三金属源的流速为(150?450)mL/min，所述硅原子浓度为I X 119-1 X 102()个/cm3。在具有V型缺陷的N型重掺层的生长过程中，还能够通过调节反应物的比例控制V型缺陷的生长速度，以提高V型缺陷的生长率。具体地，可以通过控制氨气与第三金属源的比例，即降低v/m比，通过降低氨气的使用量，增加第三金属源的使用量，进一步扩大晶格应力，提高V型缺陷的纵向生长速度。
[0021 ] 进一步地，步骤3)中，控制所述反应室的转速为400?800r/min。发明人经过大量研究发现，在V型缺陷的生长过程中，还可以通过控制反应室转速来控制V型缺陷的形成，较慢的转速有助于V型缺陷的三维生长，有利于V型的生成。
[0022]进一步地，步骤4)包括:向所述反应室中通入氮气、氨气、第四金属源和硅原子生成掺杂量子皇；随后向所述反应室中通入氮气、氨气、第四金属源和三甲基铟，生成量子阱；依序循环所述2?20次后，在所述N型掺杂层上生成厚度为10?6000nm的多量子阱层;其中，所述硅原子浓度为I X 118个/cm3。
[0023]多量子讲层的生成包括量子皇和量子讲的叠加。首先，将反应室的温度控制在500?550°C，压力为400?600托，在氮气气氛保护下，通入氨气、第四金属源和娃原子，生成的金属氮化物量子皇中会被掺入硅原子而继续生成V型缺陷，具体地，在量子皇的生成过程中，可以控制氮气的体积为(35?100)L，氨气的体积为(20?60)L，第四金属源的注入速度为(180?550)mL/min，硅原子的浓度为I X 118个/cm3，在通入上述反应物后，控制反应室的转速为600r/min，2?5min后，即可生长出量子皇。当量子皇生长完毕后，可以控制氮气的体积为(35?100)L，氨气的体积为(20?60)L，第四金属源的注入速度为(60?180)mL/min，三甲基铟的注入速度为(200?600)mL/min，在通入上述反应物后，控制反应室的转速为600r/min，I?5min后，即可生长出量子肼，该量子讲为包含金属铟的金属氮化物。如此的，可以按照量子皇、量子讲的生长顺序循环反应2?20次，生成多量子讲层。为了保证量子皇和量子阱的生长，在反应过程中，可以使量子皇的生长温度低于量子阱的生长温度，优选地，可以将量子皇的生长温度控制为840 °C，将量子阱的生长温度控制为760 °C。
[0024]进一步地，所述掺杂量子皇的宽度为5?25nm，所述量子阱的宽度为2?5nm。
[0025]进一步地，步骤5)中，所述镁原子浓度为I X 117-1X 12q个/cm3。
[0026]进一步地，所述衬底层选自蓝宝石、图形蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍和铬中的一种。
[0027]同时，本发明对发光二极管外延结构的生长设备不做限制，可以是金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备或者氢化物气相外延设备中的一种。
[0028]本发明提供的发光二极管外延结构生长方法，将硅原子引入重掺层和多量子阱层，并通过控制碳原子的浓度、反应过程的转速以及反应物之间的比例关系，在外延结构中以三维生长模式形成V型缺陷，该V型缺陷能够阻止电子空穴进入位错线非辐射复合区而发生非辐射复合，降低非辐射复合几率，有效提高二极管外延结构的内量子效率，从而提升二极管外延结构的发光率。
[0029]本发明还提供一种发光二极管外延结构，该发光二极管外延结构按照上述生