一种发光二极管外延片的生长方法
【专利摘要】本发明公开了一种发光二极管外延片的生长方法，属于半导体技术领域。所述生长方法包括：依次在衬底上生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层；有源层包括第一子层和第二子层，第一子层中的量子阱层、第一子层中的量子垒层、第二子层中的量子阱层、第二子层中的量子垒层的生长气氛依次为N2和H2的混合气体、纯H2、纯N2、N2和H2的混合气体；第一子层中的量子阱层采用变压、变温的生长方式，第一子层中的量子垒层的生长压力采用高压、高温的生长方式，第二子层中的量子阱层采用低压、低温的生长方式，第二子层中的量子垒层采用变压的生长方式；第一子层的量子垒层采用三甲基镓作为镓源。本发明提高了发光效率。
【专利说明】
_种发光二极管外延片的生长方法
技术领域
[0001]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生长方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(Light Emitting D1de，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在如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等领域被迅速广泛地应用。
[0003]现有LED外延片的生长方法是依次在衬底上生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层、P型层，其中，有源层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，量子阱层和量子皇层的生长条件均保持不变。
[0004]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:
[0005]量子阱层需要通过低温生长增加In组分，但低温生长会导致晶体质量较差，LED的发光效率较低。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术LED的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法。所述技术方案如下:
[0007]本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括:
[0008]依次在衬底上生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层；
[0009]所述有源层包括第一子层和生长在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层和所述第二子层均包括交替层叠的量子阱层和量子皇层;所述第一子层中的量子阱层的生长气氛为NdPH2的混合气体，所述第一子层中的量子皇层的生长气氛为纯H2,所述第二子层中的量子阱层的生长气氛为纯N2,所述第二子层中的量子皇层的生长气氛为仏和出的混合气体;所述第一子层中的量子阱层的生长压力逐渐变化，所述第二子层中的量子阱层的生长压力低于所述第一子层中的量子阱层的平均压力，所述第二子层中的量子皇层的生长压力逐渐变化，所述第一子层中的量子皇层的生长压力高于所述第二子层中的量子皇层的平均压力;所述第一子层中的量子阱层的生长温度逐渐变化，所述第二子层中的量子阱层的生长温度低于所述第一子层中的量子阱层的平均温度，所述第一子层中的量子皇层的生长温度高于所述第二子层中的量子皇层的生长温度;所述第一子层的量子皇层采用三甲基镓作为镓源，所述第一子层的量子阱层、所述第二子层均采用三乙基镓作为镓源。
[0010]可选地，所述第一子层中量子阱层和量子皇层的层数之和为2层?10层，所述第二子层中量子阱层和量子皇层的层数之和为10层?20层。
[0011]可选地，所述第一子层中的量子讲层的生长压力为50torr?150torr。
[0012]可选地，所述第一子层中的量子皇层的生长压力为200torr?300torr。
[0013]可选地，所述第二子层中的量子讲层的生长压力为I OOtorr?200torr。
[0014]可选地，所述第二子层中的量子皇层的生长压力为150torr?300torr。
[0015]可选地，所述第一子层中的量子阱层的生长温度为780°C?860°C。
[0016]可选地，所述第一子层中的量子皇层的生长温度为820°C?920°C。
[0017]可选地，所述第二子层中的量子阱层的生长温度为760°C?810°C。
[0018]可选地，所述第二子层中的量子皇层的生长温度为800°C?900°C。
[0019]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0020]通过接近N型层的量子阱层的生长气氛为N2和H2的混合气体，由于H2气氛下NH3的反应速率较低，外延片生长表面氮的活动能力较低，因此可以显著改善晶体质量；同时采用变压、变温的生长方式，可以改变由于H2与In生成的氢化复合物的存在方式和存在数量，减少出的存在对In的并入效率的不良影响。接近N型层的量子皇层的生长气氛为纯H2,采用高压、高温的生长方式，均可以提高量子皇层的晶体质量；另外，在出气氛下使用三甲基镓作为镓源生长的阱皇节目更好，有利于发光二极管的发光效率。接近P型层的量子阱层的生长气氛为纯N2,以避免改善晶体质量的出降低In的并入效率，确保电子和空穴的复合发光;而且低压、低温的生长方式，也可以提高In的并入效率，进而提高发光效率。接近P型层的量子皇层生长气氛为N2和H2的混合气体，加入少量的H2可以提高量子皇层的晶体质量和界面清晰度，而且可以避免纯N2气氛对In的并入效率产生负影响；另外，变压的生长方式也可以减弱这种负影响。综上所述，本发明实施例提供的发光二极管外延片的生长方法有效提高晶体质量、减少缺陷，提高电子和空穴的复合几率，最终提高发光二极管的发光效率、抗静电能力和开启电压。
【附图说明】
[0021]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。
[0022]图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]实施例
[0025]本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，参见图1，该生长方法包括:
[0026]步骤100:对衬底进行预处理。
[0027]在本实施例中，衬底为蓝宝石衬底。
[0028]具体地，该步骤100可以包括:
[0029]在氢气气氛下，高温处理衬底5mim?6min。其中，反应室温度为1000°C?1100°C，反应室压力控制在200torr?500torr。
[0030]在本实施例中，采用Veeco Κ465? or C4的金属有机化合物化学气相沉淀(MetalOrganic Chemical Vapor Deposit1n，简称MOCVD)设备实现LED的生长方法。采用高纯氢气(H2)、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作为咐原，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力为100-600torr。
[0031]步骤101:在衬底上生长低温缓冲层。
[0032]具体地，低温缓冲层生长在蓝宝石的
[0001]面上。
[0033]在本实施例中，低温缓冲层可以为GaN层，厚度为15nm?30nm。生长低温缓冲层时，反应室温度为530°C?560°C，反应室压力控制在200torr?500torr。
[0034]步骤102:在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
[0035]在本实施例中，高温缓冲层可以为不掺杂的GaN层，厚度为2μπι?3.5μπι。生长高温缓冲层时，反应室温度为1000°c?1100°C，反应室压力控制在200torr?600torr。
[0036]步骤103:在高温缓冲层上生长N型层。
[0037]在本实施例中，N型层可以为掺Si的GaN层，厚度为2μπι?3μπι。生长N型层时，反应室温度为1000°c?IlOOcC，反应室压力控制在200torr?300torr。
[0038]步骤104:在N型层上生长有源层。
[0039]在本实施例中，有源层包括第一子层和生长在第一子层上的第二子层，第一子层和第二子层均包括交替层叠的量子阱层和量子皇层。第一子层中的量子阱层的生长气氛为Ndra2的混合气体，第一子层中的量子皇层的生长气氛为纯H2，第二子层中的量子阱层的生长气氛为纯N2,第二子层中的量子皇层的生长气氛为犯和出的混合气体。第一子层中的量子阱层的生长压力逐渐变化，第二子层中的量子阱层的生长压力低于第一子层中的量子阱层的平均压力，第二子层中的量子皇层的生长压力逐渐变化，第一子层中的量子皇层的生长压力高于第二子层中的量子皇层的平均压力。第一子层中的量子阱层的生长温度逐渐变化，第二子层中的量子阱层的生长温度低于第一子层中的量子阱层的平均温度，第一子层中的量子皇层的生长温度高于第二子层中的量子皇层的生长温度。第一子层的量子皇层采用三甲基镓作为镓源，第一子层的量子阱层、第二子层均采用三乙基镓作为镓源。
[0040]具体地，量子阱层的生长温度低于量子皇层的生长温度，量子阱层的生长压力低于量子皇层的生长压力，量子阱层的生长速率低于量子皇层的生长速率。
[0041]在实际应用中，第一子层中的量子皇层采用低速的生长方式，以平衡使用纯出所提尚的生长速率。
[0042]可选地，第一子层中的量子阱层的生长温度可以为780°C?860°C。当第一子层中的量子阱层的生长温度低于780°C时，会影响量子阱层的晶体质量，进而影响有源层的光学质量;当第一子层中的量子阱层的生长温度高于860°C时，虽然会大大提高量子阱层的晶体质量，但也会对In的析出造成很大影响，严重影响量子阱层的In组分。
[0043]优选地，第一子层中的量子阱层的生长温度可以为780°C?830°C。
[0044]可选地，第一子层中的量子皇层的生长温度可以为820°C?920°C。当第一子层中的量子皇层的生长温度低于820°C时，会影响量子皇层的晶体质量，进而影响有源层的光学质量；当第一子层中的量子皇层的生长温度高于920°C时，虽然会大大提高量子皇层的晶体质量，但也会对量子阱造成破坏，导致量子阱层的In析出而降低量子阱层的In组分。
[0045]优选地，第一子层中的量子皇层的生长温度可以为850°C?920°C。
[0046]可选地，第二子层中的量子阱层的生长温度可以为760°C?810°C。当第二子层中的量子阱层的生长温度低于760°C时，虽然会提高量子阱层的In组分，但会严重降低量子阱层的晶体质量；当第二子层中的量子阱层的生长温度高于810°C时，即使大大提高了晶体质量，但对In组分的破坏已经超过了提高晶体质量的正影响。
[0047]优选地，第二子层中的量子阱层的生长温度可以为760°C?800°C。
[0048]可选地，第二子层中的量子皇层的生长温度可以为800°C?900°C。当第二子层中的量子皇层的生长温度低于800°C时，会降低量子皇层的晶体质量，也会造成阱皇界面模糊，从而影响阱层的辐射复合发光效率；当第二子层中的量子皇层的生长温度高于900°C时，会有很好的阱皇界面，但是对量子阱层的破坏非常大，导致大量的In析出，同样降低了量子阱层的复合发光效率。
[0049]优选地，第二子层中的量子皇层的生长温度可以为820°C?890°C。
[0050]可选地，第一子层中的量子讲层的生长压力可以为50torr?150torr。当第一子层中的量子阱层的生长压力低于50torr时，会严重降低量子阱层的生长速率，并且会影响量子阱层的晶体质量，从而影响有效的电子和空穴辐射复合发光效率；当第一子层中的量子阱层的生长压力为高于150torr时，达不到通过变低压生长带来的改变氢化复合物的存在方式和存在数量的效果。
[°°511 优选地，第一子层中的量子讲层的生长压力可以为80torr?150torr。
[°°52] 可选地，第一子层中的量子皇层的生长压力可以为200torr?300torr。当第一子层中的量子皇层的生长压力低于200torr时，会由于与量子阱层的压力接近而达不到让量子阱层变低压生长对氢化物的改变效果；当第一子层中的量子皇层的生长压力高于300torr时，会大大提高量子皇层的生长速率而带来很多的缺陷(pits)，从而影响有效的福射复合效率。
[0053]可选地，第二子层中的量子阱层的生长压力可以为10torr?200tOrr。当第二子层中的量子讲层的生长压力低于10torr时，会由于速率变快，导致pits变多，影响有效的复合效率。
[0054]需要说明的是，第二子层中的量子阱层的发光概率和数量要大于第一子层中的量子阱层，因此第二子层中的量子阱层的气氛为纯N2,无H2,需要稍高的生长压力来提高生长速率来避免因为温度低带来的晶体质量差的影响。
[°°55] 可选地，第二子层中的量子皇层的生长压力可以为150torr?300torr。当第二子层中的量子皇层的生长压力低于150torr时，生长速率会变低，加上相对量子阱层较高的温度，会对量子阱层的In造成破坏；当第二子层中的量子皇层的生长压力高于300torr时，会使得生长速率变得较快，带来较多的缺陷，影响晶体质量和复合效率。
[0056]可选地，第一子层中量子阱层和量子皇层的层数之和可以为2层?10层。当第一子层中量子阱层和量子皇层的层数之和少于2层时，会起不到这样设计生长的目的，也会因为量子阱层太少而影响电子和空穴复合的概率；当第一子层中量子阱层和量子皇层的层数之和多于10层时，可以保证电子和空穴进行复合的概率，但会造成成本浪费。
[0057]优选地，第一子层中量子阱层和量子皇层的层数之和可以为4层?10层。
[0058]可选地，第二子层中量子阱层和量子皇层的层数之和可以为10层?20层。当第二子层中量子阱层和量子皇层的层数之和少于10层时，会降低电子和空穴有效复合的概率，从而降低发光效率；当第二子层中量子阱层和量子皇层的层数之和多于20层时，会大大增加成本，而且也会降低整体的晶体质量，从而影响LED的抗静电能力和反向击穿能力。
[0059]优选地，第二子层中量子阱层和量子皇层的层数之和可以为10层?16层。
[0060]步骤105:在有源层上生长电子阻挡层。
[0061 ] 在本实施例中，电子阻挡层为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y = 0.15-0.25),电子阻挡层的厚度为30nm?50nm。生长电子阻挡层时，反应室温度为930°C?970°C，反应室压力控制在10torr0
[0062]步骤106:在电子阻挡层上生长P型层。
[0063]在本实施例中，P型层为掺杂Mg的GaN层，P型层的厚度为50nm?-80nm。生长P型层时，反应室温度为940 0C?980 0C，反应室压力控制在200torr?600torr。
[0064]步骤107:活化P型层。
[0065]具体地，活化时间为30min，反应室温度为650 V?750 V。
[0066]需要说明的是，活化P型层主要是活化P型层中掺杂的Mg，使Mg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，进而引起芯片亮度低和电压高的情况。
[0067]下面分别对第一样品和第二样品在相同的工艺条件下镀I1nm的氧化铟锡(Indium Tin Oxides，简称ITO)层，120nm的Cr/Pt/Au电极和40nm的Si02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305μπι*635μπι( 12mi*25mil)的芯粒和229μπι*559μm(9mi*22mil)的芯粒。其中，第一样品是采用传统的有源层生长得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管的生长方法得到的。
[0068]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120mA和60mA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。
[0069]结果显示，两种来自于第二样品的晶粒与比来自于第一样品的晶粒相比，光强分别在120mA和60mA驱动电流下有明显提升，抗静电能力明显增强，开启电压也有明显提升，这就说明此法生长的结构缺陷明显减少，晶体质量较好。
[0070]本发明实施例通过接近N型层的量子阱层的生长气氛为犯和出的混合气体，由于H2气氛下NH3的反应速率较低，外延片生长表面氮的活动能力较低，因此可以显著改善晶体质量;同时采用变压、变温的生长方式，可以改变由于H2与In生成的氢化复合物的存在方式和存在数量，减少出的存在对In的并入效率的不良影响。接近N型层的量子皇层的生长气氛为纯出，采用高压、高温的生长方式，均可以提高量子皇层的晶体质量；另外，在H2气氛下使用三甲基镓作为镓源生长的阱皇节目更好，有利于发光二极管的发光效率。接近P型层的量子阱层的生长气氛为纯N2,以避免改善晶体质量的出降低In的并入效率，确保电子和空穴的复合发光;而且低压、低温的生长方式，也可以提高In的并入效率，进而提高发光效率。接近P型层的量子皇层生长气氛为仏和出的混合气体，加入少量的H2可以提高量子皇层的晶体质量和界面清晰度，而且可以避免纯N2气氛对In的并入效率产生负影响；另外，变压的生长方式也可以减弱这种负影响。综上所述，本发明实施例提供的发光二极管外延片的生长方法有效提尚晶体质量、减少缺陷，提尚电子和空穴的复合几率，最终提尚发光一■极管的发光效率、抗静电能力和开启电压。
[0071]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。
【主权项】
1.一种发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括: 依次在衬底上生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层； 所述有源层包括第一子层和生长在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层和所述第二子层均包括交替层叠的量子阱层和量子皇层;所述第一子层中的量子阱层的生长气氛为他和出的混合气体，所述第一子层中的量子皇层的生长气氛为纯H2,所述第二子层中的量子阱层的生长气氛为纯N2,所述第二子层中的量子皇层的生长气氛为犯和出的混合气体;所述第一子层中的量子阱层的生长压力逐渐变化，所述第二子层中的量子阱层的生长压力低于所述第一子层中的量子阱层的平均压力，所述第二子层中的量子皇层的生长压力逐渐变化，所述第一子层中的量子皇层的生长压力高于所述第二子层中的量子皇层的平均压力；所述第一子层中的量子阱层的生长温度逐渐变化，所述第二子层中的量子阱层的生长温度低于所述第一子层中的量子阱层的平均温度，所述第一子层中的量子皇层的生长温度高于所述第二子层中的量子皇层的生长温度；所述第一子层的量子皇层采用三甲基镓作为镓源，所述第一子层的量子阱层、所述第二子层均采用三乙基镓作为镓源。2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一子层中量子阱层和量子皇层的层数之和为2层?10层，所述第二子层中量子阱层和量子皇层的层数之和为10层?20层。3.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第一子层中的量子阱层的生长压力为5Otorr?15Otorr。4.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第一子层中的量子皇层的生长压力为2OOtorr?3OOtorr。5.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层中的量子阱层的生长压力为I OOtorr?2OOtorr。6.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层中的量子皇层的生长压力为15Otorr?3OOtorr。7.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第一子层中的量子阱层的生长温度为780°C?860°C。8.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第一子层中的量子皇层的生长温度为820°C?920°C。9.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层中的量子阱层的生长温度为760 °C?81 (TC。10.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第二子层中的量子皇层的生长温度为800°C?900°C。
【文档编号】H01L33/00GK105957927SQ201610373026
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】姚振, 从颖, 胡加辉
【申请人】华灿光电(苏州）有限公司