一种发光二极管外延片的制造方法与流程

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制造方法。

背景技术：

发光二极管(lightingemittingdiode，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。

氮化镓基半导体材料是继硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能，在光电子领域具有广泛的应用前景和研究价值。近年来氮化镓类基半导体逐渐受到广大的重视。氮化镓基发光二极管常采用蓝宝石衬底。

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：

对于正装结构的led，多量子阱层产生的部分光会入射到蓝宝石衬底中，蓝宝石衬底会吸收部分光，从而导致led的正面出光率减小。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，可以提高led的正面出光效率。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：

提供一蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的表面设有周期性图形，所述周期性图形之间形成凹陷部；

向反应室中通入载气、氮气和mo源，在所述周期性图形和所述凹陷部上生长低温缓冲层，所述低温缓冲层为gan层；

升高所述反应室温度，向所述反应室通入载气、氮气和mo源，在所述凹陷部上的低温缓冲层上生长三维生长层，所述三维生长层为gan层且所述三维生长层的厚度大于所述低温缓冲层；

保持所述反应室温度不变，向所述反应室通入一段时间的氢气，去除所述周期性图形上的低温缓冲层和所述凹陷部上的部分三维生长层；

升高所述反应室温度，向所述反应室通入载气、氮气和mo源，在所述三维生长层上生长高温未掺杂的gan层，所述高温未掺杂的gan层在所述周期性图形上合并，并与所述周期性图形间隔设置，形成空洞；

向所述反应室通入载气、氮气、mo源和n型掺杂剂，在所述高温未掺杂的gan层上生长n型层；

向所述反应室通入载气、氮气和mo源，在所述n型层上生长多量子阱层；

向所述反应室中通入载气、氮气、mo源和p型掺杂剂，在所述多量子阱层上生长p型层。

进一步地，生长所述三维生长层时，反应室的温度控制在1000～1070℃。

进一步地，所述向所述反应室通入一段时间的氢气，去除所述周期性图形上的低温缓冲层和所述凹陷部上的部分三维生长层，包括：

向所述反应室通入60～150l/min的氢气。

进一步地，向所述反应室通入氢气的时间为氢气1～3min。

进一步地，向所述反应室通入氢气时，所述反应室的温度控制在1000～1070℃。

进一步地，向所述反应室通入氢气时，所述反应室的压力控制在100～500torr。

进一步地，生长高温未掺杂的gan层时，反应室的温度控制在1040～1080℃。

进一步地，所述低温缓冲层的厚度为20～30nm。

进一步地，所述三维生长层的厚度为0.7～1.1um。

进一步地，所述载气为高纯氢气或高纯氮气或高纯氢气和高纯氮气的混合气体，所述mo源为三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝、三乙基镓中的一个或多个。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在三维生长层生长完后，保持反应室温度不变，向反应室中通入一段时间的氢气，此时反应室温度较高，在高温下gan易分解，而低温缓冲层和三维生长层均为gan层，因此低温缓冲层和三维生长层会分解，同时氢气可以将gan分解物带出反应腔。又由于三维生长层的厚度大于低温缓冲层的厚度，因此通入一段时间的氢气，可以去除掉周期性图形上的低温缓冲层和凹陷部上的部分三维生长层，保证当蓝宝石衬底周期性图形上的低温缓冲层分解完之后，凹陷部上的部分三维生长层仍未被分解，以便于后续在三维生长层上生长未掺杂的gan层。进一步地，升高反应室温度，在三维生长层上生长高温未掺杂的gan层，由于高温未掺杂的gan层的生长温度较高，无法直接生长在蓝宝石衬底表面的周期性图形上，因此，高温未掺杂的gan层与蓝宝石衬底之间会形成空洞。空洞中填充有空气，多量子阱层发出的部分光入射至蓝宝石衬底之前，会经过空洞，由于空气的折射率比蓝宝石衬底的折射率小，空气与氮化镓外延层的折射率的差值更大，因此来自多量子阱层的光更容易在空洞处产生全反射，并从发光二极管的正面出射，从而提高发光二极管的正面出光效率。

附图说明

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。

图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的方法流程图；

图2为步骤102执行之后的发光二极管外延片的结构示意图；

图3为步骤103执行之后的发光二极管外延片的结构示意图；

图4为步骤104执行之后的发光二极管外延片的结构示意图；

图5为步骤105执行之后的发光二极管外延片的结构示意图。

具体实施方式

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。

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的方法流程图，如图1所示，该制造方法包括：

步骤101、提供一蓝宝石衬底。

在本实施例中，蓝宝石衬底的表面设有周期性图形，周期性图形之间形成凹陷部。

具体地，步骤101还包括；

将蓝宝石衬底在温度为1050℃，在纯氢气氛围对蓝宝石衬底进行退火处理5～10min，然后将蓝宝石衬底进行氮化处理。

在本实施例中，可以采用veecok465iorc4mocvd(metalorganicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现发光二极管外延片的制造。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源。mo源为三甲基镓(tmga)、三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)、三乙基镓(tega)中的一个或多个。其中三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源。硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。反应室压力为100-600torr。

步骤102、生长低温缓冲层。

具体地，将反应室的温度下降至540℃，压力控制在50～200torr，向反应室通入载气、氨气和三甲基镓，在蓝宝石衬底表面的周期性图形和凹陷部上生长20～30nm的gan层低温缓冲层。在540℃的低温环境下，有利于低温gan缓冲层生长在蓝宝石衬底上。

图2为步骤102执行之后的发光二极管外延片的结构示意图，如图2所示，低温缓冲层2位于蓝宝石衬底1的表面的周期性图形1a和凹陷部1b上。

在本实施例中，蓝宝石衬底1上的周期性图形1a为圆锥形。

步骤103、生长三维生长层。

在本实施例中，三维生长层为gan层。

具体地，将反应室的温度升高至1000～1070℃，压力控制在100～500torr，向反应室通入载气、氨气和三甲基镓，在凹陷部上的低温缓冲层上生长0.7～1.1um的三维生长层。

在本实施例中，三维生长层的厚度为0.7～1.11um，低温缓冲层为20～30nm。三维生长层的厚度远远大于低温缓冲层，可以保证蓝宝石衬底周期性图形上的低温缓冲层分解完之后，凹陷部上的部分三维生长层仍未被分解，以便于后续未掺杂的gan层的生长。

图3为步骤103执行之后的发光二极管外延片的结构示意图，如图3所示，三维生长层3位于凹陷部1b上的低温缓冲层2上。

步骤104、去除周期性图形上的低温缓冲层和凹陷部上的部分三维生长层。

具体地，保持反应室温度不变，控制反应室的压力为100～500torr，向反应室通入一段时间的氢气，去除周期性图形上的低温缓冲层和凹陷部上的部分三维生长层。

其中，保持反应室温度为1000～1070℃不变，使反应室内保持高温，高温有利于gan层的分解。

在本实施例中，步骤104包括：

向反应室通入60～150l/min的氢气1～3min。通过在高温环境下通入1～3min的氢气，可以保证蓝宝石衬底的图形上的低温gan缓冲层能够被分解完。同时通入60～150l/min的氢气，可以作为载气，将gan的分解物带出反应室。若通入氢气的时间过长，会导致三维生长层被分解过多，降低了三维生长层的晶体质量，从而影响外延结构的生长。若通入氢气的时间过短，会导致蓝宝石衬底的图形上的低温缓冲层无法全部分解，影响空洞的产生。

图4为步骤104执行之后的发光二极管外延片的结构示意图，如图4所示，此时蓝宝石衬底1的周期性图形1a上的低温缓冲层2和凹陷部1b上的部分三维生长层3被分解。

步骤105、生长高温未掺杂的gan层。

具体地，将反应室的温度升高至1040～1080℃，压力控制在100～300torr，向反应室通入载气、氮气和三甲基镓，在三维生长层上生长厚度为1.5um的高温未掺杂的gan层。

图5为步骤105执行之后的发光二极管外延片的结构示意图，如图5所示，由于高温未掺杂的gan层4的生长温度较高，且gan层与蓝宝石衬底1的晶格不匹配，因此高温未掺杂的gan层4不会生长在蓝宝石衬底1的周期性图形1a上。高温未掺杂的gan层4在周期性图形1a上合并，并与周期性图形1a间隔设置，形成空洞4a。

步骤106、生长n型层。

将反应室的温度控制在1040～1070℃，压力控制在100～300torr，向反应室通入载气、载气、氮气、三甲基镓和n型掺杂剂，在高温未掺杂的gan层上生长厚度为2um的掺si的gan层。

在本实施例中，执行完步骤105后，该制造方法还可以包括：

步骤107、生长多量子阱层。

在本实施例中，多量子阱层包括多个周期交替生长的ingan阱层和gan垒层。

具体地，步骤107包括：

将反应室的温度控制在730～830℃，压力控制在100～400torr，向反应室通入载气、氮气、三乙基镓和三甲基铟，生长厚度为2.5nm的ingan阱层；

将反应室的温度控制在850～930℃，压力控制在100～400torr，向反应室通入载气、氮气和三乙基镓，生长厚度为15nm的gan垒层。

在本实施例中，执行完步骤107后还可执行步骤108。

步骤108、生长电子阻挡层。

在本实施例中，电子阻挡层为掺mg的algan层。

具体地，步骤108包括：

将反应室的温度控制在900～1000℃，压力控制在50～200torr，向反应室通入载气、氮气、三乙基镓、三甲基铟和p型掺杂剂，在多量子阱层上生长厚度为80nm的电子阻挡层。

步骤109、生长p型层。

在本实施例中，p型层为掺mg的gan层。

将反应室的温度控制在870～970℃，压力控制在100～500torr，向反应室通入载气、氮气、三乙基镓和p型掺杂剂，在电子阻挡层上生长厚度为15nm的p型gan层。

在本实施例中，在执行完步骤109后，还可执行步骤110。

步骤110、生长p型接触层。

在本实施例中，p型接触层为重掺mg的gan层。

具体地，步骤110包括：

将反应室的温度控制在870～970℃，压力控制在100～500torr，向反应室通入载气、氮气、三乙基镓和p型掺杂剂，在p型层上生长厚度为15nm的p型接触层。

在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至600～850℃，在氮气气氛进行退火处理5～15min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。

将第一样品和第二样品在相同的工艺条件下镀上n型电极和p型电极，并将处理后的第一样品和第二样品研磨切割成245*619μm²的晶粒，其中第一样品是采用传统的制造方法得到的，第二样品是采用实施例一的制造方法制造得到的。

在第一样品和第二样品中分别选取发光波长为451～452nm、452～453nm、453～454nm的芯粒，在驱动电流120ma的条件下分别测试来自第一样品和第二样品的三种波段的芯粒的发光亮度。

结果显示，第一样品的发光波长为451～452nm的芯粒的发光亮度为199.4mw，第二样品的发光波长为451～452nm的芯粒的发光亮度为203.5mw。第一样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为199.4mw，第二样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为203.6mw。第一样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为199.3mw，第二样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为203.5mw。

进一步地，在相同工艺条件下，对第一样品的晶粒和第二样品的晶粒进行封装，在驱动电流为120ma的条件下分别测试来自第一样品和第二样品的三种波段的芯粒的发光亮度。

结果显示，第一样品的发光波长为451～452nm的芯粒的发光亮度为192.8mw，第二样品的发光波长为451～452nm的芯粒的发光亮度为196.5mw。发光亮度提升了1.92％。第一样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为192.1mw，第二样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为196mw，发光亮度提升了2.03％。第一样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为190.6mw，第二样品的发光波长为452～453nm的芯粒的发光亮度为194.5mw，发光亮度提升了2.05％。

由此可知，采用本发明实施例提供的制造方法制造出来的发光二极管的发光亮度更高，发光效果更好。

本发明实施例通过在三维生长层生长完后，保持反应室温度不变，向反应室中通入一段时间的氢气，此时反应室温度较高，在高温下gan易分解，而低温缓冲层和三维生长层均为gan层，因此低温缓冲层和三维生长层会分解，同时氢气可以将gan分解物带出反应腔。又由于三维生长层的厚度大于低温缓冲层的厚度，因此通入一段时间的氢气，可以去除掉周期性图形上的低温缓冲层和凹陷部上的部分三维生长层，保证当蓝宝石衬底周期性图形上的低温缓冲层分解完之后，凹陷部上的部分三维生长层仍未被分解，以便于后续在三维生长层上生长未掺杂的gan层。进一步地，升高反应室温度，在三维生长层上生长高温未掺杂的gan层，由于高温未掺杂的gan层的生长温度较高，无法直接生长在蓝宝石衬底表面的周期性图形上，因此，高温未掺杂的gan层与蓝宝石衬底之间会形成空洞。空洞中填充有空气，多量子阱层发出的部分光入射至蓝宝石衬底之前，会经过空洞，由于空气的折射率比蓝宝石衬底的折射率小，空气与氮化镓外延层的折射率的差值更大，因此来自多量子阱层的光更容易在空洞处产生全反射，并从发光二极管的正面出射，从而提高发光二极管的正面出光效率。

以上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。