N型层粗化的led生长方法
【专利摘要】本发明实施例提供一种N型层粗化的LED生长方法。该方法包括：在衬底的上表面通入金属源和氨气，通过所述金属源和氨气反应，在所述衬底的上表面形成无定型的缓冲层；在所述无定型的缓冲层的上表面生长非掺杂层；在所述非掺杂层的上表面生长重掺杂的N型层，其中，所述重掺杂的N型层的上表面形成V形坑，所述V形坑作为粗化的一种形式存在；采用纵向生长模式保持所述V形坑的形状，在所述重掺杂的N型层的上表面依次生长低掺N型层、量子阱层，P型层，从而形成完整的LED结构。本实施例无需二次生长，无需对P型层进行改造，不会对芯片制程产生过大影响。
【专利说明】N型层粗化的LED生长方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施例涉及半导体制造技术，尤其涉及一种N型层粗化的LED生长方法。
【背景技术】
[0002] 以氮化镓（GaN)为代表的宽禁带材料，是继硅（Si)和砷化镓（GaAs)之后的第三 代半导体材料，GaN可以用来制作发光二极管、激光器、探测器、高频高功率晶体管等电子器 件。
[0003] 目前，用GaN材料生产发光二级管（Light Emitting Diode,简称LED)已经比较成 熟，且运用面越来越广泛，特别是在景观照明，路灯照明，背光源，室内照明等多个领域均有 很好表现。但随着LED越来越广泛的使用，LED暴露出来的问题也愈加突出：对照明领域的 应用来说，由于亮度的提升不但能满足更加苛刻的使用环境，还能够降低单位流明光的使 用成本，因此目前对亮度的需求越来越强烈。
[0004] 亮度主要取决于LED的外量子效率（External quantum efficiency,简称EQE)。 而LED的EQE取决于内量子效率（Internal quantum efficiency,简称IQE)和光提取效率 (Light Extraction Effieieney，简称LEE)的乘积，提高外量子效率的方法大致可以从提高 IQE和LEE两方面入手。因 GaN的折射率为2. 4,光的出射角仅有24. 6度，光的提取效率仅 有4. 5%。于是，图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate,简称PSS)被用来改 善LED的外量子效率。同时纳米压印技术（Nanoimprinting)，氮化娃（SiN)纳米网格技术， 氮化钛（TiN)纳米柱技术，表面粗化技术等都曾被用用来改善LED的光提取效率。
[0005] 尽管近年来这些技术的使用使得GaN-LED取得了显著的光电性能提升，但在现有 的N型层粗化的LED生长方法中，不仅需要二次生长，还需要对P型层进行改造。因此，GaN 的生长技术还有进一步提1?的空间。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种N型层粗化的LED生长方法，该方法在保证其他性能不恶化的 基础上进行，无需二次生长，且可以和其他改善光电参数的方法并行使用。异于其他表面粗 化技术，N型粗化方法在N型层就已经形成，无需对P型层进行改造，不会对芯片制程产生 过大影响。
[0007] 本发明实施例提供一种N型层粗化的LED生长方法，包括：
[0008] 在衬底的上表面通入金属源和氨气，通过所述金属源和氨气反应，在所述衬底的 上表面形成无定型的缓冲层；
[0009] 在所述无定型的缓冲层的上表面生长非掺杂层；
[0010] 在所述非掺杂层的上表面生长重掺杂的N型层，其中，所述重掺杂的N型层形成V 形坑，所述V形坑作为粗化的一种形式存在；
[0011] 采用纵向生长模式保持所述V形坑的形状，在所述重掺杂的N型层的上表面依次 生长低掺N型层、量子阱层，P型层，从而形成完整的LED结构。
[0012] 可选地，所述衬底的材质为蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍、铬中的任一种。
[0013] 可选地，所述N型层粗化的LED生长方法可通过如下任一生长设备实现：
[0014] 金属有机化学气相沉积M0CVD设备、分子束外延MBE设备或氢化物气相外延HVPE 设备。
[0015] 可选地，所述重掺杂的N型层的掺杂浓度在102°的数量级。
[0016] 可选地，所述重掺杂的N型层的厚度为500?3500nm。
[0017] 可选地，所述重掺杂的N型层的上表面形成的V形坑无规则排列。
[0018] 可选地，所述纵向生长模式为保持纵向生长速率大于横向生长速率的生长模式。
[0019] 可选地，所述重掺杂的N型层中的掺杂物质为如下物质中的至少一种：
[0020] 娃 Si、碳 C、铅 Pb、氧 0、硫 S。
[0021] 可选地，所述低掺杂的N型层中的掺杂物质为如下物质中的至少一种：
[0022] 娃 Si、碳 C、铅 Pb、氧 0、硫 S。
[0023] 本发明实施例提供的N型层粗化的LED生长方法，通过在衬底的上表面通入金属 源和氨气，通过金属源和氨气反应，在衬底的上表面形成无定型的缓冲层；在无定型的缓冲 层的上表面生长非掺杂层；在非掺杂层的上表面生长重掺杂的N型层，其中，重掺杂的N型 层形成V形坑，V形坑作为粗化的一种形式存在；采用纵向生长模式保持V形坑的形状，在 重掺杂的N型层的上表面依次生长低掺N型层、量子阱层，P型层，从而形成完整的LED结 构，相对P型层粗化可能会影响芯片制程，N型层粗化对后面芯片制程影响较小；N型层粗化 能够有效提高光提取效率；N型层粗化无需增加过多的原材料消耗，仅N型重掺杂时需要增 加 N型的掺杂源，所需增加原材料微少，适合大批量生产使用，不仅无需增加更多的生长时 间，还粗化方法简单易行，容易实现产业化。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 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性的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0025] 图1为重掺杂N型层V形坑示意图；
[0026] 图2为本发明N型层粗化的LED生长方法实施例一的流程示意图；
[0027] 图3为本发明N型层粗化LED结构示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 本发明实施例的目的在于从N型GaN层就开始形成非周期变化的波浪起伏状粗化 表面，通过调节生长速率、温度及V/III等参数，使粗化的N型层表面保持至P型GaN层生 长结束。此粗化效果类似于直接在P型层表面粗化的效果，具有提高GaN-LED光提取效率 的性能。
[0030] 本发明的基本原理是利用重掺杂的N型GaN层形成V形坑作为粗化表面，如图1 所示，图1为重掺杂N型层V形坑示意图。因 N型掺杂原子和Ga原子的半径差较大，当N 型GaN层重掺杂（可以掺Si)时，如图1中的重掺杂的N型层101所示，GaN会形成较大的 晶格应力，重掺时会导致GaN层以形成V形坑来释放应力，如图1中的重掺杂表面形成的V 形坑102所示。本实施例利用重掺杂的N型GaN层的应力释放形成的V型坑来实现的，调 节生长过程中的温度、压力和V/III，使得外延表面的V型坑可保持到P型层生长结束，形成 表面粗化效果。
[0031] 图2为本发明N型层粗化的LED生长方法实施例一的流程示意图。下面结合图3 所示实施例，对本发明实施例提供的方法进行详细说明。图3为本发明N型层粗化LED结 构示意图。本实施例N型层粗化的LED生长方法可通过如下任一生长设备实现：金属有机 化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称 M0CVD)设备、分子束外 延（Molecular Beam Epitaxy，简称 MBE)设备或氢化物气相外延（Hydride Vapor Phase Epitaxy，简称HVPE)设备。如图2所示，本实施例提供的方法，包括：
[0032] 步骤201、在衬底的上表面通入金属源和氨气，通过所述金属源和氨气反应，在所 述衬底的上表面形成无定型的缓冲层；
[0033] 当衬底材料301层的表面温度升高到530°C左右时，通入金属源和氨气（NH3)反应 3-5分钟，金属源和NH 3在此温度下分解并发生化学反应，形成无定型的缓冲层。金属源反 应物及缓冲层具有下列特性：①能够在高温时分解成金属原子；②金属原子能够和N原子 发生反应，形成、无定型的GaN缓冲层；③缓冲层的厚度可以为10?50nm。
[0034] 所述衬底的材质为蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍、铬中的任一种。
[0035] 步骤202、在所述无定型的缓冲层的上表面生长非掺杂层；
[0036] 将反应室温度提高到800?1000°C，此时缓冲层进行分解聚合，形成均匀分布的 成核岛，随后在此基础上压力维持在200?600托，通入三甲基镓和NH 3，使晶核岛长大并合 并，不掺入任何杂质形成未掺杂的GaN层302,此层厚度大概为500?2000nm。
[0037] 步骤203、在所述非掺杂层的上表面生长重掺杂的N型层，其中，所述重掺杂的N型 层的上表面形成V形坑，所述V形坑作为粗化的一种形式存在；
[0038] 反应室继续升温至1000?1100°C，反应室压力控制在200?600托。在GaN的生 长过程中掺入N型杂质，形成重掺杂的N型层303,掺杂浓度在?10 2°cm-3的数量级，此层 的厚度可以为500?3500nm。因此层重掺导致波浪V形坑形成，可选地，重掺杂的N型层的 上表面形成的V形坑无规则排列。
[0039] 步骤204、采用纵向生长方法保持所述V形坑的形状，在所述重掺杂的N型层的上 表面依次生长低掺N型层、量子阱层，P型层，从而形成完整的LED结构。
[0040] 重掺层生长完成之后，需要在此层上面在继续生长一层N型GaN，此N型层采用低 掺，掺杂浓度在5X 1018cnT3?5X 1019cnT3之间，厚度约100nm?lOOOnm，形成低掺杂的N型 层304。为了保证V形状粗糙表面的延续，此层生长采用纵向生长模式，既纵向生长速率大 于横向生长速率。为了实现纵向生长模式需要调节温度至900?1000°C，反应室压力提高 至IJ 300?500托。
[0041] 在已经生长好的低惨N型GaN上生长量子讲层305,量子讲米用GaN/InGaN多量子 阱的结构，周期厚度为5?30nm(其中阱宽为2?5nm，垒宽为5?25nm)，其周期数为2? 20。此层依然采用纵向生长模式，温度控制在700?900°C，反应室压力控制在450?650 托，量子阱层305生成之后，V形坑状起伏依然存在。
[0042] 在已生长好的量子阱层205的结构上生长掺Mg的GaN层，此层的厚度为0? 500nm，掺Mg浓度可以为lxlO17?lxl02°cnT3,此层为LED结构的P型GaN层206。此层生 长过程中保持纵向生长模式不变，温度控制在800?1000°C，反应室压力控制在300?500 托，最终形成粗化的表面。
[0043] 可选地，所述重掺杂的N型层中的掺杂物质为如下物质中的至少一种：
[0044] 娃 Si、碳 C、铅 Pb、氧 0、硫 S。
[0045] 可选地，所述低掺杂的N型层中的掺杂物质为如下物质中的至少一种：
[0046] 娃 Si、碳 C、铅 Pb、氧 0、硫 S。
[0047] 本发明实施例提供的N型层粗化的LED生长方法，通过在衬底的上表面通入金属 源和氨气，通过金属源和氨气反应，在衬底的上表面形成无定型的缓冲层；在无定型的缓冲 层的上表面生长非掺杂层；在非掺杂层的上表面生长重掺杂的N型层，其中，重掺杂的N型 层形成V形坑，V形坑作为粗化的一种形式存在；采用纵向生长模式保持V形坑的形状，在 重掺杂的N型层的上表面依次生长低掺N型层、量子阱层，P型层，从而形成完整的LED结 构，相对P型层粗化可能会影响芯片制程，N型层粗化对后面芯片制程影响较小；N型层粗化 能够有效提高光提取效率；N型层粗化无需增加过多的原材料消耗，仅N型重掺杂时需要增 加 N型的掺杂源，所需增加原材料微少，适合大批量生产使用，不仅无需增加更多的生长时 间，还粗化方法简单易行，容易实现产业化。
[0048] 下面采用具体的实施例，进行详细说明。
[0049] 实施例一
[0050] N型层粗化的GaN蓝光LED
[0051] 1、在维易科MOCVD K465I机台上，使用图形化蓝宝石衬底，当衬底材料301的表 面温度升高到530°C左右时，保持生长压力为500托。通入三甲基镓（60ml/min)和氨气 (NH 3) 501/min反应3分钟，三甲基镓和NH3在此温度下分解并发生化学反应，形成无定型的 缓冲层，此层的厚度为20nm。
[0052] 2、将反应室温度提高到1000°C，此时缓冲层进行分解聚合，形成均匀分布的成核 岛，随后在此基础上压力维持在500托，通入三甲基镓（200ml/min)和NH 3501/min反应30 分钟。此生长过程能使晶核岛长大并合并，不掺入任何杂质形成未掺杂的GaN层302。此层 厚度大概为lOOOnm。
[0053] 3、反应室继续升温至1020°C，反应室压力控制在200托，通入三甲基镓（300ml/ min)和NH3601/min反应45分钟。在GaN的生长过程中掺入N型杂质硅（Si)，此N型层采 用重掺，掺杂浓度为2X10 2°cm_3,形成重掺杂的N型层303。此层的厚度为1500nm，形成粗 糙的V形坑。
[0054] 4、重掺杂的N型层生长完成之后，反应室温度降为980°C，提高反应室压力至350 托，通入三甲基镓（300ml/min)和NH 3701/min反应25分钟；此N型层采用低掺，掺杂源为 Si，掺杂浓度为8 X 1018cm_3,得到低掺杂的N型层304,厚度约800nm。
[0055] 5、在已经生长好的低掺杂的N型层上生长量子阱层，量子阱采用GaN/InGaN多量 子阱的结构。将反应室温度降至840°C，压力调为300托，通入氮气、三乙基镓（360ml/min) 氨气，在氮气气氛下生长GaN量子垒，掺入Si杂质，掺杂浓度为1 X 1018cm-3。生长时间为3 分钟，厚度为12nm ;继续将反应室温度降至760°C，压力维持在300托，通入氮气、三乙基镓 (120ml/min)、三甲基铟（400ml/min)和氨气，在氮气气氛下生长InGaN量子阱，生长时间为 2分钟，厚度为3nm，In含量约为10% ;以上两步循环生长8个周期，形成8个周期的GaN/ InGaN量子阱结构，即量子阱层305。
[0056] 6、将温度升至900°C，压力调为350托，通入氮气、三乙基镓（360ml/min)和氨气， 掺入Mg杂质，Mg的掺杂浓度为IX 1019cm_3。生长时间为10分钟，此层为P型GaN层，即图 3中的P型层306。
[0057] 7、对此LED进行退火处理，显微镜可观察到外延片表面呈粗糙状。芯片加工成1mm2 大小的芯片，通入350mA的电流，发光波长约460nm，发光效率为1801m/W，且抗静电能力在 人体模式下4000V通过率为98%。
[0058] 实施例二：
[0059] N型层粗化的GaN绿光LED
[0060] 1、在维易科MOCVD K465I机台上，使用图形化蓝宝石衬底，当衬底材料301的表 面温度升高到530°C左右时，保持生长压力为500托。通入三甲基镓（60ml/min)和氨气 (NH 3) 501/min反应3分钟，三甲基镓和NH3在此温度下分解并发生化学反应，形成无定型的 缓冲层，此层的厚度为20nm。
[0061] 2、将反应室温度提高到KKKTC，此时缓冲层进行分解聚合，形成均匀分布的成核 岛，随后在此基础上压力维持在500托，通入三甲基镓（200ml/min)和NH 3501/min反应30 分钟。此生长过程能使晶核岛长大并合并，不掺入任何杂质形成未掺杂的GaN层302。此层 厚度大概为lOOOnm。
[0062] 3、反应室继续升温至1020°C，反应室压力控制在200托，通入三甲基镓（300ml/ min)和NH3601/min反应45分钟。在GaN的生长过程中掺入N型杂质硅（Si)，此N型层采 用重掺，掺杂浓度为2X10 2°cm_3,形成重掺杂的N型层303。此层的厚度为1500nm，形成粗 糙的V形坑。
[0063] 4、重掺杂的N型层生长完成之后，反应室温度降为980°C，提高反应室压力至350 托，通入三甲基镓（300ml/min)和NH 3701/min反应25分钟；此N型层采用低掺，掺杂源为 Si，掺杂浓度为8 X 1018cm_3,得到低掺杂的N型层304,厚度约800nm。
[0064] 5、在已经生长好的低惨N型GaN上生长量子讲层，量子讲米用GaN/InGaN多量子 阱的结构。将反应室温度降至840°C，压力调为300托，通入氮气、三乙基镓（360ml/min) 氨气，在氮气气氛下生长GaN量子垒，掺入Si杂质，掺杂浓度为IX 1018cnT3。生长时间为3 分钟，厚度为12nm ;继续将反应室温度降至720°C，压力维持在300托，通入氮气、三乙基镓 (120ml/min)、三甲基铟（400ml/min)和氨气，在氮气气氛下生长InGaN量子阱，生长时间为 1分50秒，厚度为2. 4nm，In含量约为20% ;以上两步循环生长10个周期，形成10个周期 的GaN/InGaN量子阱结构，即量子阱层305
[0065] 6、将温度升至900°C，压力调为350托，通入氮气、三乙基镓（360ml/min)氨气，掺 入Mg杂质，Mg的掺杂浓度为1 X 1019cm_3。生长时间为10分钟，此层为206P型GaN层，即 图3中的P型层306。
[0066] 7、对此LED进行退火处理，显微镜可观察到外延片表面呈粗糙状。芯片加工成 300 X 300 μ m2大小的芯片，通入20mA的电流，发光波长约520nm，发光效率为120lm/W，且抗 静电能力在人体模式下4000V通过率为95%。
[0067] 综上，本发明实施例，相对P型层粗化可能会影响芯片制程，N型层粗化对后面芯 片制程影响较小；N型层粗化能够有效提高光提取效率；N型层粗化无需增加过多的原材料 消耗，仅N型重掺杂时需要增加 N型的掺杂源，所需增加原材料微少，适合大批量生产使用， 不仅无需增加更多的生长时间，还粗化方法简单易行，容易实现产业化。
[0068] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通 过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程 序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟 或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0069] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征 进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技 术方案的范围。
【权利要求】
1. 一种N型层粗化的LED生长方法，其特征在于，包括： 在衬底的上表面通入金属源和氨气，通过所述金属源和氨气反应，在所述衬底的上表 面形成无定型的缓冲层； 在所述无定型的缓冲层的上表面生长非掺杂层； 在所述非掺杂层的上表面生长重掺杂的N型层，其中，所述重掺杂的N型层的上表面形 成V形坑，所述V形坑作为粗化的一种形式存在； 采用纵向生长模式保持所述V形坑的形状，在所述重掺杂的N型层的上表面依次生长 低掺N型层、量子阱层，P型层，从而形成完整的LED结构。
2. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述衬底的材质 为蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍、铬中的任一种。
3. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述N型层粗化 的LED生长方法可通过如下任一生长设备实现： 金属有机化学气相沉积MOCVD设备、分子束外延MBE设备或氢化物气相外延HVPE设 备。
4. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述重掺杂的N型 层的掺杂浓度在1〇2°的数量级。
5. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述重掺杂的N型 层的厚度为500?3500nm。
6. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述重掺杂的N型 层的上表面形成的V形坑无规则排列。
7. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述纵向生长模 式为保持纵向生长速率大于横向生长速率的生长模式。
8. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述重掺杂的N型 层中的掺杂物质为如下物质中的至少一种： 娃Si、碳C、铅Pb、氧0、硫S。
9. 根据权利要求1所述的N型层粗化的LED生长方法，其特征在于：所述低掺杂的N型 层中的掺杂物质为如下物质中的至少一种： 娃Si、碳C、铅Pb、氧0、硫S。
【文档编号】H01L33/00GK104157752SQ201410428148
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】黄小辉, 马刚, 蔡武, 周德保, 康建, 梁旭东 申请人:圆融光电科技有限公司