一种紫光led的外延生长方法
【专利摘要】本发明提出一种新的生长紫光LED外延的方法，适合波长范围365-420nm，能够很大程度降低紫光LED的生长难度，同时提升紫光LED的辐射功率，并有效提高了紫光LED器件的可靠性。本发明中采用掺杂n型AlGaN/GaN超晶格结构，其中的势垒层AlGaN和势阱层GaN周期性交替掺杂，可以集中n型载流子浓度，不同层的浓度呈现周期浓度变化，周期性电导的变化能够使得电流扩散更好，同时电导变化区加宽，使得线性缺陷的漏电通道穿透效果减弱，能够降低正向电压，提高ESD。
【专利说明】一种紫光LED的外延生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电器件材料制备和结构设计【技术领域】，具体涉及一种紫光LED的外延生长方法。
【背景技术】
[0002]随着科技进步和新型能源发展，固态LED照明将成为未来世界发光的趋势，由于LED具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热等优点，已经大面积地应用于交通指示灯、交通信号灯、景观装饰灯、显示屏、汽车尾灯、手机背光源等领域。目前市场上的LED等主要以蓝绿光为主，红黄光次之，紫光及紫外的LED产品比较少，主要由于紫光的LED制造难度大、光效低。随着LED应用的发展，紫光LED的市场需求越来越大，普遍应用于医疗器械、医学测量、卫生消毒、验钞点钞检验设备、防伪行业、生物统计安全性检测，涵盖医疗、卫生、金融、生物、检测、公共安全等各个方面。
[0003]目前紫光LED外延生长技术还不够成熟，一方面受制于紫光生长材料特性，另一方面是由于紫光LED能带结构的影响，导致了目前紫光LED芯片的发光效率较低，制备成本高，难度大，成品率低等。因此，如何制备高功率的紫光LED芯片成为非常迫切的需求。
【发明内容】
[0004]本发明是一种新的生长紫光LED外延方法，适合波长范围365-420nm，能够很大程度降低紫光LED的生长难度，同时提升紫光LED的辐射功率，并有效提高了紫光LED器件的
可靠性。
[0005]本发明的基本方案如下:
[0006]一种紫光LED的外延生长方法，包括以下步骤:
[0007](I)以蓝宝石作为生长基底，生长低温AlN层；
[0008](2 )生长高温AlN层；
[0009](3)生长若干个周期的AlN/AlGaN超晶格结构；
[0010](4)生长掺杂η型AlGaN层；
[0011](5)生长若干个周期的η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构(即在生长过程中分别在势垒层AlGaN和势阱层GaN周期性交替掺杂硅烷)；
[0012](6)生长AlGaN/InGaN垒阱的周期结构，作为量子阱结构有源区；
[0013](7)生长掺杂P型AlGaN阻挡层；
[0014](8)生长掺杂P型GaN层；
[0015](9)在氮气氛围下退火；
[0016]上述步骤(6)首先进行若干个主体周期结构的生长，每个周期是先以In含量阶梯递减生长两层InGaN，然后升温生长一层掺杂硅烷的AlGaN势垒层，再降温以In含量阶梯递增生长两层InGaN ;完成若干个主体周期结构的生长后，再进行1_2个结束周期结构的生长，所述结束周期结构中升温生长AlGaN势垒层过程中不掺杂硅烷，其他条件与主体周期结构一致。
[0017]基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定:
[0018]上述步骤(5)是在1050°C生长η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构，共生长5个周期，总厚度50nm。
[0019]上述步骤(6)具体按照以下方式进行生长:
[0020]在770°C生长一层3nm的InxGa^xN量子阱层，然后升温到800°C接着生长一层2nm左右InyGal-yN层，然后升温到1000°C，生长一层掺杂硅烷的AlGaN势垒层厚度10nm，然后降温到800°C接着生长一层2nm左右InyGai_yN层，再降温到770°C，生长一层3nm的InxGapxN的量子阱层，其中0〈x，y<l,y<x ；以此方式依次生长5个周期；然后生长最后2个周期，其中垒层AlGaN不掺杂，其余条件保持与之前5个周期一致。
[0021]上述步骤(3)是在温度1050°C生长一层10个周期AlN/AlGaN的超晶格，总厚度70nmo
[0022]相应的，按照上述方法制得的紫光LED的外延片结构，主要包括依次生长的以下各层:
[0023]蓝宝石基底；
[0024]低温AlN 层；
[0025]高温AlN 层；
[0026]若干个周期的AlN/AlGaN超晶格结构；
[0027]掺杂η 型 AlGaN 层；
[0028]若干个周期的η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构；
[0029]AlGaN/InGaN垒阱的周期结构，作为量子阱结构有源区；
[0030]掺杂P型AlGaN阻挡层；
[0031]掺杂P型GaN层；
[0032]其中，AlGaN/InGaN垒阱的周期结构依次分为若干个主体周期结构和1_2个结束周期结构，其中若干个主体周期结构的生长，每个周期是先以In含量阶梯递减生长两层InGaN，然后生长一层掺杂硅烷的AlGaN势垒层，再以In含量阶梯递增生长两层InGaNjf述结束周期结构生长于所述若干个主体周期结构的基础上，其生长AlGaN势垒层过程中不掺杂硅烷，其他结构与主体周期结构一致。
[0033]优选5个周期的η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构，总厚度50nm。
[0034]上述若干个主体周期结构的生长具体可以是，每个周期先生长一层3nm的InxGa1J^量子讲层,然后生长一层2nm InyGal_yN层，然后生长一层掺杂硅烷的AlGaN势鱼层厚度IOnm,接着生长一层2nm左右InyGa卜yN层，再生长一层3nm的InxGa^xN的量子讲层，其中0〈x，y〈l，y〈x ;以此结构共依次生长5个主体周期；最后生长2个所述结束周期结构。
[0035]优选10个周期的AlN/AlGaN超晶格结构，总厚度70nm。
[0036]x，y 的值优选取(0.3，0.2)、(0.5，0.2)、(0.8，0.4)等。
[0037]本发明具有以下有益效果:
[0038]本发明中采用掺杂η型AlGaN/GaN超晶格结构，其中的势垒层AlGaN和势阱层GaN周期性交替掺杂，可以集中η型载流子浓度，不同层的浓度呈现周期浓度变化，周期性电导的变化能够使得电流扩散更好，同时电导变化区加宽，使得线性缺陷的漏电通道穿透效果减弱，能够降低正向电压，提高ESD。
[0039]同时，量子阱区采用AlGaN/InGaN周期生长，每个周期内依次生长不同In含量的InGaN层，然后升温生长掺杂η型AlGaN层；采用这种变化式生长能够减小垒阱层由于晶格适配产生的极化应力，减小界面缺陷，同时高温AlGaN垒层不但可以提升掺杂效果，并且这种结构使得电子穿透更加容易，并且在阱区发生复合的高能级发光复合增强。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为本发明的紫光LED的外延整体结构图。
[0041]图2为AlGaN/GaN超晶格周期掺杂结构图(即图1中第6层)，其中Si表示该层为n型掺杂。
[0042]图3为量子阱结构有源区的一个周期的结构图(即图1中第7层中的一个周期)。
[0043]图4为量子阱结构有源区的生长示意图(即图1中第7层)。
【具体实施方式】
[0044]以下结合附图对本发明作进一步的阐述。
[0045]本发明采用蓝宝石作为生长基底，进行异质外延生长，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。具体主要生长环节如下:
[0046]1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100°C烘烤10分钟。
[0047]2.降温度600°C生长一层厚度IOnm的低温AlN层，生长压力为200torr。
[0048]3.升温到1070°C生长一层厚度300nm的本征ALN层，生长压力为200torr.[0049]4.在温度1050°C，200torr生长一层10个周期AlN/AlGaN的超晶格，总厚度70nm。
[0050]5.在温度1050°C生长一层掺杂硅烷的η型AlGaN层，厚度500nm，压力200torr.[0051]6.接在在1050°C生长周期掺杂硅烷的η型AlGaN/GaN超晶格，生长过程中分别在GaN生长层和AlGaN层交替掺杂硅烷，生长5个周期，厚度50nm.[0052]7.在氮气氛围350torr，770°C生长一层3nm的InxGal-xN量子阱层，然后升温到800°C接着生长一层2nm左右InyGal-yN层，然后升温到1000°C，150torr生长一层掺杂硅烷的AlGaN势垒层厚度10nm，然后降温到800°C在350torr接着生长一层2nm左右InyGal-yN层，再降温到770°C，生长一层3nm的InxGal-xN的量子讲层，其中0〈x, y<l,y〈x，例如取(x，y)= (0.3,0.2),(0.5,0.2),(0.8,0.4)等；然后依次生长5个周期，然后接着生长后2个周期，其中垒层AlGaN不掺杂硅烷，其余条件保持和前5个周期一致。
[0053]8.温度至 900°C, 150torr,生长一层 p 型 AlGaN 层，厚度 20nm。
[0054]9.在950°C生长一层掺杂镁P型GaN，150nm左右。
[0055]10.在氮气氛围下，退火20分钟。
[0056]以上整体外延生长过程结束，即制得紫光LED的外延片。
[0057]采用此紫光LED外延片制成的芯片，其ESD (抗静电能力)良率较传统的紫光外延片在相同工艺条件下制作的芯片在相同击穿电压下提升了 10%;较传统的LED外延片在相同工艺条件下制成的芯片的光效提升了 25%-30%。[0058]需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
【权利要求】
1.一种紫光LED的外延生长方法，包括以下步骤: (1)以蓝宝石作为生长基底，生长低温AlN层； (2)生长高温AlN层; (3)生长若干个周期的AlN/AlGaN超晶格结构； (4)生长η型掺杂AlGaN层； (5)生长若干个周期的η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构； (6)生长AlGaN/InGaN垒阱的周期结构，作为量子阱结构有源区； (7)生长掺杂P型AlGaN阻挡层； (8)生长掺杂P型GaN层； (9)在氮气氛围下退火； 上述步骤(6)首先进行若干个主体周期结构的生长，每个周期是先以In含量阶梯递减生长两层InGaN，然后升温生长一层掺杂硅烷的AlGaN势垒层，再降温以In含量阶梯递增生长两层InGaN;完成若干个主体周期结构的生长后，再进行1_2个结束周期结构的生长，所述结束周期结构中升温生长AlGaN势垒层过程中不掺杂硅烷，其他条件与主体周期结构一致。
2.根据权利要求1所述的紫光LED的外延生长方法，其特征在于: 步骤(5)是在1050°C生长η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构，共生长5个周期，总厚度 50nm。
3.根据权利要求1或2所述的紫光LED的外延生长方法，其特征在于:步骤(6)具体按照以下方式进行生长: 在770°C生长一层3nm的InxGa卜XN量子阱层，然后升温到800°C接着生长一层2nm左右InyGal-yN层，然后升温到1000°C，生长一层掺杂硅烷的AlGaN势垒层厚度10nm，然后降温到800°C接着生长一层2nm左右InyGapyN层，再降温到770°C，生长一层3nm的InxGai_xN的量子阱层，其中0〈x，y〈l，y<x ；以此方式依次生长5个周期；然后生长最后2个周期，其中垒层AlGaN不掺杂，其余条件保持与之前5个周期一致。
4.根据权利要求3所述的紫光LED的外延生长方法，其特征在于:步骤(3)是在温度1050°C生长一层10个周期AlN/AlGaN的超晶格，总厚度70nm。
5.一种紫光LED的外延片结构,其特征在于:包括依次生长的以下各层: 蓝宝石基底； 低温AlN层； 高温AlN层； 若干个周期的AlN/AlGaN超晶格结构； 掺杂η型AlGaN层； 若干个周期的η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构； AlGaN/InGaN垒阱的周期结构，作为量子阱结构有源区； 掺杂P型AlGaN阻挡层； 掺杂P型GaN层； 其中，AlGaN/InGaN垒阱的周期结构依次分为若干个主体周期结构和1-2个结束周期结构，其中若干个主体周期结构的生长，每个周期是先以In含量阶梯递减生长两层InGaN，然后生长一层掺杂硅烷的AlGaN势垒层，再以In含量阶梯递增生长两层InGaN ;所述结束周期结构生长于所述若干个主体周期结构的基础上，其生长AlGaN势垒层过程中不掺杂硅烷，其他结构与主体周期结构一致。
6.根据权利要求5所述的外延片结构，其特征在于:共有5个周期的η型交替掺杂AlGaN/GaN超晶格结构，总厚度50nm。
7.根据权利要求5或6所述的外延片结构，其特征在于:所述若干个主体周期结构的生长，每个周期是先生长一层3nm的InxGa^N星子讲层，然后生长一层2nm InyGaI_yN层，然后生长一层掺杂硅烷的AlGaN势鱼层厚度IOnm,接着生长一层2nm左右InyGapyN层,再生长一层3nm的InxGapxN的量子讲层,其中0〈x, y〈l,y〈x ;以此结构共依次生长5个主体周期；最后生长2个所述结束周期结构。
8.根据权利要求7所述的外延片结构，其特征在于:共有10个周期的AlN/AlGaN超晶格结构，总厚度70nm。
【文档编号】H01L33/32GK103887380SQ201410123905
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】王晓波 申请人:西安神光皓瑞光电科技有限公司