具有翘曲调节结构层的led外延结构及其生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于调节生长翘曲程度提升产品良率的LEDLED(发光二极管)的外延结构生长方法，属于LED制备技术领域。
【背景技术】
[0002]宽禁带半导体是继硅和砷化镓之后的第三代半导体材料，近年来越来越受到人们的重视，目前广泛研究的主要包含了II1-V族与I1-VI化合物半导体材料、碳化硅(SiC)和金刚石薄膜等，在蓝绿光、紫外光LED、LD、探测器和微波功率器件等方面获得了广泛的应用。由于其优良的特性和广泛的应用，受到广泛的关注。特别是m-v族半导体材料中的氮化镓(GaN)材料，由于其在半导体照明应力的商业化应用，成为了当今全球半导体领域的研究热点。
[0003]ΙΠ族氮化物材料包含AlN、GaN、InN和他们的合金，通过控制其组份，可使其禁带宽度从InN的0.9eV至AlN的6.2eV连续变化，对应的波长范围覆盖整个可见光区，并可延伸至紫外区域。这一类材料是直接带隙材料，并具有热导率高、发光效率高、介电常数小、化学性质稳定、硬度大和耐高温等特点，是制作激光二极管(LD)、高亮度蓝绿光发光二极管(LED)和异质结场效应晶体管(HFETs)等器件的理想材料。尤其是其中的LED器件，已在半导体照明领域获得了广泛的应用。
[0004]LED由于发光效率高、功耗低、不含有毒物质汞、绿色环保，从而赢得关注。随着发光二极管LED的发光效率的迅速改善，亮度的快速提高，LED具有越来越广阔的市场。
[0005]对于GaN蓝光LED来说，外延片产品的单片片内参数均匀性非常重要，这些参数包含波长、厚度、掺杂等。在规模化生产过程中，由于蓝宝石(Al2O3)衬底与GaN材料之间的晶格失配以及热失配，在外延生长过程中会影响LED外延片的整体翘曲程度，以致在生长量子阱区(MQW)时外延片的温场和生长状态会因自身翘曲而产生差异，所生长出来的LED外延片的波长以及电性参数单片片内将存在较大的差异，最终影响到LED产品参数的单片均匀性。
[0006]因此，有必要提出一种LED生长工艺，调节和改变MQW生长前的外延片翘曲程度，优化LED外延片的单片片内均匀性，提高LED外延片产品的单片片内参数均匀性，提高产品良率。
[0007]中国专利文献CN105070652A公开的《GaN层生长方法及所得LED外延层和LED芯片》，是在成核层上分别生长两层GaN层，通过调节这两层GaN层的生长时间、压力和温度，实现对GaN晶体的分段生长，使分段生长所得具有少许差别的GaN晶体相互配合，从而实现GaN晶体的结晶质量的提升，并减少GaN晶体与衬底晶体之间的晶格失配。该方法只是从过渡生长的手段减少晶格失配，效果一般，并不是从直接改变生长翘曲的方面进行研究，不能通过改变翘曲实现对单片片内参数均匀性的提升。
[0008]中国专利文献CN104409590A公开的《LED外延结构及其生长方法》，是一种在高温N型GaN层上生长Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂的GaN层交替排列的过渡层，减少高温N型GaN层和发光层之间的应力。该方法并不能对MQW前外延片翘曲程度进行有效调节，且在高温N型 GaN和发光区之间插入过渡层，会极大的影响LED产品的性能。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有LED生长技术存在的生长翘曲问题，提供一种能够提高LED外延片参数均匀性、提升LED产品良率的具有翘曲调节结构层的LED外延结构及其生长方法。
[0010]本发明的具有翘曲调节结构层的LED外延结构，采用以下技术方案:
[0011]该外延结构，自下至上依次包含蓝宝石衬底、成核层、粗化层、高温GaN层、高温N型GaN层、发光层、P型AlGaN层和P型GaN层，在高温GaN层与高温N型GaN层之间设置有翘曲调节结构层，该翘曲调节结构层为S i 3N4层、第一 GaN层、AI GaN层和第二 GaN层的超晶格层，周期数为1-40。
[0012]所述翘曲调节结构层的单周期厚度为31-1930nm。
[0013]所述Si3N4层的厚度是l_30nm。
[0014]所述第一 GaN层的厚度是10-800nm。
[0015]所述AlGaN层的厚度是10-300nm。
[0016]所述第二 GaN层的厚度是10-800nm。
[0017]上述外延结构，利用Si3N4、GaN、AlGaN以及蓝宝石衬底之间的晶格常数差异和热膨胀系数差异，通过调整Si3N4层和AlGaN层的生长参数，达到调节外延片生长翘曲程度的目的，同时通过Si3N4/GaN/AlGaN/GaN超晶格层减少底层生长位错向发光层的延伸，诱导位错在Si3N4/GaN/AlGaN/GaN超晶格层中终结形成位错环，使得原本的位错不再继续延伸，提高晶体生长质量。
[0018]本发明具有翘曲调节结构层的LED外延结构的生长方法，包括以下步骤:
[0019](I)在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、粗化层、尚温GaN层；
[0020]这三层的具体生长条件可采用现有常规LED外延结构的生长条件。
[0021](2)生长翘曲调节结构层，具体步骤如下:
[0022]①温度设定700-1200°C，反应室压力设定50-300torr，通入20000-150000sccm的N2(氮气)、0-150000sccm的H2(氢气)、3000-90000sccm的NH3(氨气)以及5-200sccm的SiH4(硅烷)，生长Si3N4层，厚度l_30nm;
[0023]②温度设定700-1200°C，反应室压力设定50-300torr，通入5-1000sccm的TMGa、20000-150000sccm 的 N2(氮气)、0-150000sccm 的 H2(氢气)和 3000-90000sccm 的 NH3(氨气)或者是通入 5-1000sccm 的 TEGa、20000-150000sccm 的 N2(氮气)、0-150000sccm 的 H2(氢气)和3000-90000sccm的NH3(氨气)，生长第一GaN层，厚度 10_800nm；
[0024]③温度设定700-1200°C，反应室压力设定50-300torr，通入l-200sccm的TMA1、5-1OOOsccm 的了]\?^、20000-1500008。。111的吣(氮气)、0-1500008。。111的!12(氢气)和3000-90000sccm的NH3(氨气)，生长AlGaN层，厚度 10_300nm；
[0025]④温度设定700-1200°C，反应室压力设定50-300torr，通入5-1000sccm的TMGa、20000-150000sccm 的 N2(氮气)、0-150000sccm 的 H2(氢气)和 3000-90000sccm 的 NH3(氨气)或者通入 5-1000sccm 的 TEGa、20000-150000sccm 的 N2(氮气)、0-150000sccm 的 H2(氢气)和3000-90000sccm的NH3(氨气)，生长第二GaN层，厚度 10_800nm；
[0026]按上述过程生长1-40个周期；
[0027](3)在翘曲调节结构层上依次生长高温N型GaN层、发光层、P型AlGaN层和P型GaN层。这四层的具体生长条件可采用现有常规LED外延结构的生长条件。
[0028]所述翘曲调节结构层中Si3N4层和AlGaN层生长条件可以相同也可以不同，当Si3N4层和AlGaN层生长条件不同时，可通过中间的GaN层过渡条件变化；
[0029]本发明在LED外延结构中设置翘曲调节结构层，生长发光层之前，通过调节Si3N4层厚度和SiH4流量、调节AlGaN层厚度和Al组分，进行配合，调节外延片生长过程中的翘曲程度。改善了发光层生长过程中外延片片内生长条件均匀性，提高了 LED外延片产品单片片内参数均匀性，提高了LED外延片良率。
【附图说明】
[0030]图1是本发明具有翘曲调节结构层的LED外延结构的示意图。
[0031]图2是本发明中翘曲调节结构层的结构示意图。
[0032]图中:1、蓝宝石衬底;2、成核层;3、粗化层;4、高温GaN层;5、翘曲调节结构层;51、Si3N4 层，52、第一 GaN 层，53、AlGaN层，54、第二 GaN层，6、高温 N 型 GaN层；7、发光层；8、P型AlGaN层;9、P型GaN层。
【具体实施方式】
[0033]如图1所示，本发明具有翘曲调节结构层的LED外延结构，自下至上依次包含蓝宝石衬底1、成核层2、粗化层3、高温GaN层4、有翘曲调节结构层5、高温N型GaN层6、发光层7、P型AlGaN层8和P型GaN层9，在高温GaN层4与高温N型GaN层6之间设置有翘曲调节结构层5。如图2所示，翘曲调节结构层5是Si3N4层51、第一 GaN层52、