专利名称：一种氮化镓基发光二极管的外延粗化方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓基发光二极管制备技术领域，尤其是一种氮化镓基发光二极管的外延粗化方法。
背景技术：
发光二极管(LED)产业属于半导体相关的高科技产业，处于上游的外延与芯片制造是整个产业的关键，这不仅仅体现在上游外延与芯片的性能和价格决定了中下游产品的性能和价格，还体现在外延与芯片供应商往往控制着整个产业的专利及标准。LED外延与芯片的性能很大程度上决定了整个产品的性能。当前，随着效率的提高与产量的扩大，氮化镓(GaN)基发光二极管正在朝照明领域的各个方面渗透，但是在通用照明等需要超高亮度的领域，GaN基LED的市场份额还很小，GaN基LED进入该领域需要解决的一个重大问题就是降低单位Im的价格，即不断提高其单位价格的发光效率。表面粗化是提高GaN基LED发光效率的一个十分有效的方法，现有的氮化镓基 LED的外延粗化方法主要包括常规的量子阱发光区生长结束后，首先升温生长一段pGaN， 然后再降温，并调节压力、流量以及预通Mg杂质处理等方法，进而生长较厚的粗化层pGaN， 一般需要30分钟到1小时；此粗化工艺复杂，生长时间长，此类表面粗化方法表面颗粒大， 形貌难以控制，会造成后续器件制备时的电极接触问题，造成掉电极、漏电等后果，并且在 LED正常使用中会随着时间增加，出现电极接触退化，光衰加剧等现象，严重降低LED的可靠性。由此可见，现有的外延粗化技术存在制备工艺复杂，外延粗化生长消耗时间长，及漏电大、抗静电能力弱、光衰严重等问题，降低了 MOCVD设备的总体产能和芯片良率及其可靠性。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种氮化镓基LED的外延粗化方法，以解决外延粗化生长过程中表面形貌难以控制，生长时间长，制备成器件后可靠性差等问题，达到提高GaN基LED发光效率，并简化工艺，提高产能，并保持优良的器件光电特性及可靠性的目的。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，包括选择一衬底； 在该衬底上生长一氮化铝镓铟成核层； 在该氮化铝镓铟成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；
在该非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层；在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层，该层为单层或者不同组分与厚度的氮化铝镓铟叠层结构；以及在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。上述方案中，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂。或者，所述衬底为对蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂的表面加工制作成的图形化的衬底， 图形底部尺寸为0. 1-10 μ m,图形间距为0. 1-5 μ m,图形高度为0. 1-5 μ m。上述方案中，所述在衬底上生长一氮化铝镓铟成核层采用金属有机化合物物理气相外延法，该氮化铝镓铟成核层为AlxInyGai_x_yN成核层，其中0彡χ彡1，0彡y彡1 ；生长温度为500-800°C，生长压力为lOOOO-lOOOOOPa，生长厚度为0. 01-0. 1 μ m。上述方案中，所述在该氮化铝镓铟成核层上生长非故意掺杂氮化镓层的步骤中， 生长温度为900-1100°C，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1_5 μ m。上述方案中，所述在非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层的步骤中， 生长温度为1000-1IOO0C，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1_5 μ m，其η型掺杂元素为Si及能在GaN中形成η型杂质的元素。上述方案中，所述在N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的步骤中，生长温度为600-900°C，生长压力为10000-60000Pa，多量子阱的AlxInyGai_x_yN势垒厚度为0. 005-0. 05 μ m, Ga1^xInxN量子阱厚度为0. 001-0. 01 μ m，其中多量子阱的对数为1-30对。上述方案中，所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，该P型掺杂的氮化铝镓铟层为P型掺杂的AlxInyGai_x_yN层，其中0彡χ彡1， 0彡y彡1，生长温度为900-1100°C，压力为5000_60000Pa。上述方案中，所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，对于单层材料，其厚度为0. 005-0. Ιμπι;对于叠层结构，其单层厚度为 0. 001 μ m-o. 1 μ m，层叠结构对数为2到30对；该层的杂质原子为镁或锌，该杂质原子浓度至少达至IJ 5. OX IO18CnT3。上述方案中，所述在P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为800-1100°C，压力为10000-60000Pa，生长厚度为0. 1_1μπι，该氮化镓层为表面粗化层，粗化的尺寸为0. 03-1 μm。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、利用本发明，由于从成核机理与外延层位错控制上着手控制外延层中穿透位错的分布，所以能够对外延层中各层之间的应力状况很好的把握，粗化方式容易控制。2、利用本发明，由于没有引入复杂的生长条件变化工艺，所以痛过简单的工艺手段实现表面粗化，机理简单，实现手段简便。3、利用本发明，由于成核过程和粗化过程很好的协调性生长，所以…表面形貌控制的比较好，亮度提高的同时其综合良率与可靠性都得到了改善。
图1是本发明提供的氮化镓基LED的外延粗化方法的流程图；图2是本发明的外延生长的LED表面粗化的显微镜形貌；图3是采用表面粗化技术的LED光强与没有采用表面粗化技术LED光强的对比。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供的氮化镓基LED的外延粗化方法，不是仅通过外延层表面PGaN生长时改变生长气氛与温度、压力等条件实现粗化，而是从成核机理与外延层位错控制上着手控制外延层中穿透位错的分布，进而在后续的生长中通过简单的工艺手段实现表面粗化，机理简单，实现手段简便，且没有引入复杂的生长条件变化工艺，节约了外延生长时间，且表面形貌控制的比较好，亮度提高的同时其综合良率与可靠性都得到了改善。本发明关键在于从成核机理与外延层位错控制上着手，控制外延层中穿透位错的分布，进而在后续的生长中通过简单的工艺手段实现表面粗化，能够大大提高LED器件的亮度。本发明提供的氮化镓基LED的外延粗化方法，具体方法是通过成核时引入Al与In 元素，调节二者与Ga元素的原子配比，改变成核层的应力状态晶格匹配，控制GaN由三维生长向二维生长转变的位置，从而控制位错分布，并利用多量子阱层及其后的AlxInyGai_x_yN 层的晶格失配，调制应力使该层最表面出现微开裂作为粗化位置实现PGaN生长时的表面粗化。制备出的LED效率相对未粗化结构提高了 30%以上，且其电学性质优良。如图1所示，图1是本发明提供的氮化镓基LED的外延粗化方法的流程图，该方法包括以下步骤选择一衬底；在该衬底上生长一氮化铝镓铟成核层；在该氮化铝镓铟成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；在该非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层；在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层，该层为单层或者不同组分与厚度的氮化铝镓铟叠层结构；以及在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。其中，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂；或者，所述衬底为对蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂的表面加工制作成的图形化的衬底，图形底部尺寸为0. 1-10 μ m,图形间距为0. 1-5 μ m,图形高度为0. 1-5 μ m。所述在衬底上生长一氮化铝镓铟成核层采用金属有机化合物物理气相外延法， 该氮化铝镓铟成核层为AlxIriyGai_x_yN成核层，其中0彡χ彡1，0彡y彡1 ；生长温度为 500-8000C，生长压力为 lOOOO-lOOOOOPa，生长厚度为 0. 01-0. 1 μ m。所述在该氮化铝镓铟成核层上生长非故意掺杂氮化镓层的步骤中，生长温度为 900-1100°C，生长压力为 10000-60000Pa，生长厚度为 1-5 μ m。所述在非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为 1000-1100°C，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1_5 μ m，其η型掺杂元素为Si及能在GaN中形成η型杂质的元素。所述在N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的步骤中，生长温度为600-900 °C，生长压力为10000-60000Pa，多量子阱的AlxInyGai_x_yN势垒厚度为 0. 005-0. 05 μ m, Ga1-JnxN量子阱厚度为0. 001-0. 01 μ m，其中多量子阱的对数为1-30对。
所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，该 P型掺杂的氮化铝镓铟层为P型掺杂的AlxInyGai_x_yN层，其中0彡χ彡1，0彡y彡1，生长温度为900-1100°C，压力为5000-60000Pa。对于单层材料，其厚度为0. 005-0. 1 μ m ；对于叠层结构，其单层厚度为0. 001 μ m-0. 1 μ m,层叠结构对数为2到30对；该层的杂质原子为镁或锌，该杂质原子浓度至少达到5.0X1018cnT3。所述在P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为800-1100°C，压力为10000-60000Pa，生长厚度为0. 1_1 μ m，该氮化镓层为表面粗化层， 粗化的尺寸为0. 03-1 μ m。在本实施例提供的氮化镓基LED的外延粗化方法中，所用的外延设备为德国 AIXTR0N公司生产的商用机，型号为Crius 31x2’。所用V族源为氨气(NH3), III族金属有机源材料为三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn)，除了生长多量子阱区用N2做载气外其余层的载气为H2, ρ型与η型杂质分别为Mg、Si。首先，将2英寸的蓝宝石衬底上装入MOCVD生长设备后，先升温到1100°C高温烘烤，然后反应室降温到600°C，压力为40000Pa生长低温氮化铝镓铟成核层，Al、Ga、In的流量分别是15标准毫升/分钟、75标准毫升/分钟、20标准毫升/分钟，氨气流量为15标准升 /分钟，生长时间为100-200秒；之后升温到1100°C进行GaN的成核与闭合，非故意掺杂GaN 层及η型掺杂的GaN层生长；接着系统切换到N2氛围，压力40000Pa，并降温到750-900°C分别生长氮化镓铟量子阱和氮化铝镓铟量子垒构成的多量子阱发光区；之后切换到H2气氛， 反应室温度升高到1000°C生长Mg掺杂的ρ型氮化铝镓铟和氮化镓的多层结构，一共生长5 层，氮化铝镓铟厚度与氮化镓厚度都是0. 005 μ m。之后生长Mg掺杂的ρ型氮化镓粗化层， 表面粗糙度为0. 05-0. 2 μ m,即完成完整发光二极管结构的生长。图2示出了本发明的外延生长的LED表面粗化的显微镜形貌，图3示出了采用表面粗化技术的LED光强与没有采用表面粗化技术LED光强的对比。利用本发明得到的表面粗化的LED结构，能有效消除GaN与空气界面的全反射造成的出光损失，提高发光二极管的提取效率，同时该粗化技术没有对器件制程和可靠性产生不利影响。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，包括选择一衬底；在该衬底上生长一氮化铝镓铟成核层；在该氮化铝镓铟成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；在该非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层；在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层，该层为单层或者不同组分与厚度的氮化铝镓铟叠层结构；以及在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述衬底为对蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂的表面加工制作成的图形化的衬底，图形底部尺寸为0. 1-10 μ m,图形间距为0. 1-5 μ m,图形高度为0. 1-5 μ m。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述在衬底上生长一氮化铝镓铟成核层采用金属有机化合物物理气相外延法，该氮化铝镓铟成核层为AlxInyGai_x_yN成核层，其中0彡χ彡1，0彡y彡1 ；生长温度为500-800°C，生长压力为 10000-100000Pa,生长厚度为 0. 01-0. 1 μ m。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述在该氮化铝镓铟成核层上生长非故意掺杂氮化镓层的步骤中，生长温度为900-1100°C，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1-5 μ m。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述在非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为1000-1100°C，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1_5 μ m，其η型掺杂元素为Si及能在GaN中形成η型杂质的元素。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述在N 型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的步骤中，生长温度为600-900°C，生长压力为 10000-60000Pa，多量子阱的 AlxInyGa1TyN 势垒厚度为 0. 005-0. 05 μ m, Ga1-JnxN 量子阱厚度为0. 001-0. 01 μ m，其中多量子阱的对数为1-30对。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，该P型掺杂的氮化铝镓铟层为P型掺杂的AlxInyGai_x_yN层，其中0彡χ彡1，0彡y彡1，生长温度为 900-1100°C，压力为 5000-60000Pa。
9.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，对于单层材料，其厚度为0. 005-0. 1 μ m ；对于叠层结构，其单层厚度为0. 001 μ m-0. 1 μ m,层叠结构对数为2 到30对；该层的杂质原子为镁或锌，该杂质原子浓度至少达到5. OX 1018cm_3。
10.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管的外延粗化方法，其特征在于，所述在 P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为800-110(TC，压力 为10000-60000Pa，生长厚度为0. 1-1 μ m,该氮化镓层为表面粗化层，粗化的尺寸为 0. 03-1 μ Hio
全文摘要
本发明公开了一种氮化镓基LED的外延粗化方法的流程图，包括选择一衬底；在该衬底上生长一氮化铝镓铟成核层；在该氮化铝镓铟成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；在该非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层；在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层，该层为单层或者不同组分与厚度的氮化铝镓铟叠层结构；以及在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。利用本发明，实现了P型掺杂的氮化铝镓铟层生长时的表面粗化，制备出的LED效率相对与传统结构提高了30％以上，且其电学性质优良。
文档编号C30B29/40GK102214739SQ201110136088
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者姚然, 李志聪, 李晋闽, 李璟, 梁萌, 王兵, 王国宏 申请人:中国科学院半导体研究所