匹配azo薄膜电流扩展层的led外延结构及其生长方法
【专利摘要】本发明提供一种匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构的生长方法，依次包括处理蓝宝石衬底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长U型GaN层、生长N型GaN层、生长多周期量子阱发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、生长AlGaN:Mg接触层以及退火处理。本发明采用在LED外延最后的接触层设计为AlGaN:Mg结构，可匹配ZnO∶Al(AZO)透明导电薄膜，降低了接触电阻，降低了LED芯片的工作电压。本发明还公开一种匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构，整体结构精简，可匹配ZnO∶Al(AZO)透明导电薄膜，降低了接触电阻，降低了LED芯片的工作电压。
【专利说明】
匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构及其生长方法
技术领域
[0001] 本发明涉及LED领域，具体涉及一种匹配AZ0薄膜电流扩展层的LED外延结构及其 生长方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体、计算机、太阳能等产业的发展，一种新的功能材料一一透明导电氧化 物薄膜(transparent conducting oxide，简称TC0薄膜)随之产生、发展起来。这类薄膜具 有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等光电特性，在半导体光电器件领域、太阳能 电池、平面显示、特殊功能窗口涂层等方面具有广阔的应用前景。其中制备技术最成熟、应 用最广泛的当属ln 203基（In203:Sn，简称IT0)薄膜。但是，由于IT0薄膜中ln 203价格昂贵，从 而导致生产成本很高;而且，In材料有毒，在制备和应用过程中对人体有害，另外，Sn和In的 原子量较大，成膜过程中容易渗入到衬底内部，毒化衬底材料，尤其在液晶显示器件中污染 现象严重。而ZnO:Al(简称AZ0)透明导电薄膜中的Zn源价格便宜、来源丰富、无毒，并且在氢 等离子体中稳定性要优于IT0薄膜，同时具有可与IT0薄膜相比拟的光电特性。所以，AZ0薄 膜取代IT0薄膜在发展上具有一定的优越性。
[0003] 目前市场上应用在LED芯片上用作电流扩展层的是IT0(In203:Sn)透明导电薄膜， 所以相应的LED外延结构主要设计用于匹配IT0材料，一般用GaN材料。而如果在芯片上面应 用AZ0透明导电薄膜做扩展层，为了降低接触电阻，外延接触层急需改变。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种结构简单、适用范围广、装卸方便、成本低廉的匹配AZ0薄膜电流 扩展层的LED外延结构的生长方法，具体方案如下：
[0005] -种匹配AZ0薄膜电流扩展层的LED外延结构生长方法，依次包括处理蓝宝石衬 底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长U型GaN层、生长N型GaN层、生长多周期量 子阱发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、生长AlGaN: Mg接触层以及退火处理；
[0006] 生长AlGaN: Mg接触层具体为：
[0007] P型GaN层生长结束后，生长厚度为5-20nm的AlGaN:Mg接触层，其中：所用M0源为 TMAl、TMGa、CP2Mg;生长温度为850°C-1050°C，生长压力为 100_500Torr，V/m摩尔比为 1000-5000，A1组分的摩尔含量占 l%-20%，Mg掺杂浓度为lE19-lE21atom/cm3。
[0008] 以上技术方案中优选的，生长高温GaN缓冲层具体为：
[0009] 低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至 1000°C_1100°C，退火时间为5-10min ;退火之后，将温度调节至900°c-1050°c，继续通入 TMGa，外延生长厚度为0.2-lum的高温GaN缓冲层，生长压力为400-650Torr，V/m摩尔比为 500-3000〇
[0010]以上技术方案中优选的，生长U型GaN层具体为：
[0011] 高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH3和TMGa，生长厚度为l-3um非掺杂的U型GaN 层，其中：生长温度为1050°C-1200°C，生长压力为100-500Torr，V/m摩尔比为300-3000。 [0012]以上技术方案中优选的，生长N型GaN层具体为：U型GaN层生长结束后，通入NH3、 TMGa和SiH4,生长厚度为2-4um的N型GaN层，生长温度为1050-1200°C，生长压力为100-600Torr，V/m摩尔比为300-3000，Si的掺杂浓度为8E18-2E19atom/cm 3。
[0013]以上技术方案中优选的，生长多周期量子阱发光层具体为:N型GaN层生长结束后， 生长多周期量子阱发光层，所用M0源为TEGa、TMIn及SiH4;
[0014]多周期量子阱发光层由5-15个周期的InyGal-yN/GaN阱皇结构组成，其中：量子阱 InyGai-yN层的厚度为2-5nm，y = 0 ? 1-0 ? 3;生长温度为700-800°C，生长压力为 100_500Torr， V/m摩尔比为300-5000 ;GaN皇层的厚度为8-15nm，生长温度为800-950°C，生长压力为 100-500Torr，V/m摩尔比为300-5000，Si组分的摩尔含量占0.5%-3%。
[0015] 以上技术方案中优选的，生长P型GaN层具体为:P型AlGaN层生长结束后，生长厚度 为100-800nm的P型GaN层，所用M0源为TMGa和Cp 2Mg;生长温度为850-1000°C，生长压力为 100-500Torr，V/m摩尔比为300-5000，Mg掺杂浓度为lE17-lE18atom/cm 3〇
[0016] 本发明还公开一种上述方法所得匹配AZ0薄膜电流扩展层的LED外延结构，包括从 下往上依次层叠的蓝宝石衬底、低温GaN成核层、高温GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、多周 期量子阱发光层、P型AlGaN层、P型GaN层以及AlGaN:Mg接触层；
[0017] 所述AlGaN:Mg接触层的生长厚度为5-20nm，Al组分的摩尔含量占 l%-20%，Mg掺 杂浓度为 lE19-lE21atom/cm3〇
[0018]以上技术方案中优选的，多周期量子阱发光层由5-15个周期的InyGai- yN/GaN阱皇 结构组成，一个周期的InyGai-yN/GaN阱皇结构包括一个厚度为2-5nm的量子阱In yGai-yN层和 一个厚度为8_15nm的GaN皇层，其中y = 0 ? 1-0 ? 3〇
[0019] 以上技术方案中优选的，低温GaN成核层的厚度为20-40nm;高温GaN缓冲层的厚度 为0.2-lum;U型GaN层的厚度为l-3um;N型GaN层的厚度为2-4um;P型AlGaN层的厚度为50-200nm;P 型GaN 层的厚度为 100-800nm。
[0020] 本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
[0021] 1、本发明生长步骤精简，便于规模化生产。
[0022] 2、本发明提供的匹配AZ0薄膜电流扩展层的LED外延结构，将LED外延最后的接触 层设计为AlGaN:Mg结构，以匹配Zn0:Al(AZ0)透明导电薄膜降低接触电阻，从而降低LED芯 片的工作电压；
[0023] 3、本发明提供的匹配AZ0薄膜电流扩展层的LED外延结构，与GaN相比，通过调节A1 组分，可使AlGaN与AZ0薄膜材料的势皇高度差更低，同时在AlGaN接触层重掺杂Mg能让半导 体耗尽区变窄，使载流子有更多机会隧穿，以匹配Zn0:Al(AZ0)透明导电薄膜电流扩展层降 低接触电阻，从而降低LED芯片的工作电压，节约了能源，降低了使用成本。
[0024] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0025] 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它的 附图，其中：
[0026] 图1为本发明提供的匹配AZ0薄膜电流扩展层的LED外延结构的结构示意图；
[0027] 图2为LED外延结构的样品1、样品2和样品3的电压对比图；
[0028] 图3为LED外延结构的样品1、样品2和样品3的亮度对比图；
[0029]图中：1、AlGaN:Mg接触层，2、P型GaN层，3、P型AlGaN层，4、多周期量子阱发光层，5、 N型GaN层，6、U型GaN层，7、高温GaN缓冲层，8、低温GaN成核层，9、蓝宝石衬底。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显 然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0031] 请参阅图1，本发明运用VEECO M0CVD来生长高亮度GaN基LED外延片，具体是：
[0032] 采用高纯出、高纯N2、高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH 3作为对原，金属 有机源三甲基镓(TMGa)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝 (TMA1)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)，衬底为蓝宝石，反 应压力在lOOtorr到lOOOtorr之间。具体生长方式如下：
[0033] S1、将蓝宝石衬底9在出气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050-1150°C ;
[0034] S2、将温度下降到500-620°C，通入NH3和TMGa，生长20-40nm厚的低温GaN成核层8， 生长压力为400-650Torr，V/m摩尔比为500-3000;
[0035] S3、低温GaN成核层8生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升 高至1000-1100°C，退火时间为5-10min;退火之后，将温度调节至900-1050°C，继续通入 TMGa，外延生长厚度为0.2-lum间的高温GaN缓冲层7，生长压力为400-650Torr，V/m摩尔 比为 500-3000;
[0036] S4、高温GaN缓冲层7生长结束后，通入NH3和TMGa，生长厚度为l-3um非掺杂的U型 GaN层6,生长过程温度为1050-1200°C，生长压力为100_500Torr，V/m摩尔比为300-3000; [0037] S5、U型GaN层6生长结束后，通入NH3、TMGa和SiH4，先生长一层掺杂浓度稳定的N型 GaN层5,厚度为2-4um，生长温度为1050-1200°C，生长压力为100_600Torr，V/m摩尔比为 300-3000，Si 掺杂浓度为 8E18-2E19atom/cm3;
[0038] S6、N型GaN层5生长结束后，生长多周期量子阱发光层4,所用M0源为TEGa、TMIn及 SiH4;多周期量子阱发光层4由5-15个周期的InyGaPyN/GaN阱皇结构组成，其中量子阱 1114&1-川（7 = 0.1-0.3)层的厚度为2-5随1，生长温度为700-800°(：，生长压力为100-500Torr，V/m摩尔比为300-5000;其中皇层GaN的厚度为8-15nm，生长温度为800-950°C， 生长压力为100-500Torr，V/m摩尔比为300-5000,皇层GaN进行低浓度Si掺杂，Si组分为 0.5%-3% ；
[0039] S7、多周期量子阱发光层4生长结束后，生长厚度为50-200nm的P型AlGaN层3,所用 10源为了]\^1，了]\?^和0口2]\^;生长温度为900-1100°(：，生长时间为3-10111111，压力在20-200Torr，V/m摩尔比为1000-20000，P型AlGaN层的A1的摩尔组分为10%-30%，Mg的摩尔 组分为 0.05%-0.3%;
[0040] S8、P型AlGaN层3生长结束后，生长P型GaN层2,所用M0源为TMGa和Cp2Mg;生长厚度 为100-800nm，生长温度为850-1000°C，生长压力为100-500Torr，V/m摩尔比为300-5000， Mg 掺杂浓度为 lE17-lE18atom/cm3;
[00411 S9、P型GaN层2生长结束后，生长厚度为5-20nm的AlGaN:Mg接触层1，所用M0源（高 纯金属有机源)为TMA1、TMGa、Cp2Mg;生长温度为850-1050°C，生长压力为100_500Torr，V/ m摩尔比为 1000-5000，A1 组分在 1-20%，Mg掺杂浓度为lE19-lE21atom/cm3;
[0042] S10、外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800°C，采用纯氮气氛围进行退火 处理5-10min，然后降至室温，结束生长;外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续半导 体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。
[0043] 本发明的核心在于第9步(S9)生长，在高温P型GaN层生长完之后，生长一层AlGaN: Mg接触层来取代原来的GaN: Mg接触层，因为AlGaN相比GaN，可通过调整A1组分，使其与AZ0 薄膜材料的势皇高度差更低，同时又通过在AlGaN中重掺杂Mg，让半导体耗尽区变窄，从而 电子有更多机会隧穿，以匹配Zn0:Al(AZ0)透明导电薄膜电流扩展层，来降低接触电阻，从 而降低LED芯片的工作电压。
[0044] 根据传统的LED的生长方法制备样品1，生长的接触层为Mg:GaN结构，参数见表1; 根据本发明方法制备样品2和样品3,生长的接触层为AlGaN:Mg结构，参数详见表1，样品2: 通入的TMA1为15sccm，Al组分的摩尔含量为6%;样品3:通入的TMA1为30sccm，Al组分的摩 尔含量为12%。样品1、样品2和样品3其它外延层生长条件完全一样。
[0045] 表1传统生产方式和本发明生长方式的比较表
[0047]样品1、样品2以及样品3在相同的前工艺条件下镀Zn0:Al(AZ0)透明导电薄膜来做 电流扩展层，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762wiiX762_(30milX30mil)的芯片 颗粒，然后样品1、样品2以及样品3在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下， 封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1、样品2以及样品3的光 电性能。
[0048] 请参考图2,从图2数据得出样品2较样品1驱动电压从3.4-3.5降低至3.25-3.3v， 样品3较样品1驱动电压从3.4-3.5降低至3.2-3.25v，请参阅图3,从图3数据得出样品1和样 品2,样品3的亮度相差不多，都在530mw附近。本专利提供的生长方法能降低AZO薄膜做电流 扩展层的驱动电压。
[0049]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用 本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其它相关的 技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构的生长方法，其特征在于，依次包括处 理蓝宝石衬底(9)、生长低温GaN成核层(8)、生长高温GaN缓冲层(7)、生长U型GaN层(6)、生 长N型GaN层(5)、生长多周期量子阱发光层(4)、生长P型AlGaN层(3)、生长P型GaN层(2)、生 长AlGaN: Mg接触层（1)以及退火处理； 生长AlGaN: Mg接触层（1)具体为： P型GaN层(2)生长结束后，生长厚度为5-20nm的AlGaN:Mg接触层（1 )，其中：所用MO源为 TMAl、TMGa、Cp2Mg;生长温度为850°C-1050°C，生长压力为 100_500Torr，V/m摩尔比为 1000-5000，A1组分的摩尔含量占 l%-20%，Mg掺杂浓度为lE19-lE21atom/cm3。2. 根据权利要求1所述的匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构的生长方法，其特征 在于，生长高温GaN缓冲层(7)具体为： 低温GaN成核层（8)生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至 1000°C-1100 °C，退火时间为5-10min;退火之后，将温度调节至900°C-1050°C，继续通入 TMGa，外延生长厚度为0.2-lum的高温GaN缓冲层(7)，生长压力为400-650Torr，V/m摩尔 比为 500-3000。3. 根据权利要求1所述的匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构的生长方法，其特征 在于，生长U型GaN层(6)具体为： 高温GaN缓冲层（7)生长结束后，通入NH3和TMGa，生长厚度为l-3um非掺杂的U型GaN层 (6) ，其中：生长温度为1050°C-1200°C，生长压力为100_500Torr，V/m摩尔比为300-3000。4. 根据权利要求1所述的匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构的生长方法，其特征 在于，生长N型GaN层(5)具体为： U型GaN层(6)生长结束后，通入NH3、TMGa和SiH4，生长厚度为2-4um的N型GaN层(5)，生长 温度为1050-1200°C，生长压力为100_600Torr，V/m摩尔比为300-3000，Si的掺杂浓度为 8E18_2E19atom/cm 3。5. 根据权利要求1所述的匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构的生长方法，其特征 在于，生长多周期量子阱发光层(4)具体为： N型GaN层(5)生长结束后，生长多周期量子阱发光层(4)，所用MO源为TEGa、TMIn及SiH4; 多周期量子阱发光层(4)由5-15个周期的InyGal-yN/GaN阱皇结构组成，其中：量子阱 InyGa1-yN层的厚度为2-5nm，y = 0 · 1-0 · 3;生长温度为700-800°C，生长压力为 100_500Torr， V/m摩尔比为300-5000 ;GaN皇层的厚度为8-15nm，生长温度为800-950°C，生长压力为 100-500Torr，V/m摩尔比为300-5000，Si组分的摩尔含量占0.5%-3%。6. 根据权利要求1所述的匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构的生长方法，其特征 在于，生长P型GaN层(2)具体为： P型AlGaN层(3)生长结束后，生长厚度为100-800nm的P型GaN层(2)，所用MO源为TMGa和 Cp2Mg;生长温度为850-1000°C，生长压力为100_500Torr，V/m摩尔比为300-5000，Mg掺杂 浓度为 lE17-lE18atom/cm3〇7. -种如权利要求1-6任意一项方法所得匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构，其 特征在于，包括从下往上依次层叠的蓝宝石衬底(9)、低温GaN成核层(8)、高温GaN缓冲层 (7) 、U型GaN层(6)、N型GaN层(5)、多周期量子阱发光层(4)、P型AlGaN层(3)、P型GaN层(2)以 及AlGaN: Mg接触层（1); 所述AlGaN = Mg接触层（1)的生长厚度为5-20nm，Al组分的摩尔含量占 l%-20%，Mg掺杂 浓度为 lE19-lE21atom/cm3〇8. 根据权利要求7所述的匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构，其特征在于，多周期 量子阱发光层(4)由5-15个周期的In yGai-yN/GaN阱皇结构组成，一个周期的InyG ai-yN/GaN阱 皇结构包括一个厚度为2_5nm的量子阱InyGap yN层和一个厚度为8-15nm的GaN皇层，其中y =0.1-0.3〇9. 根据权利要求7所述的匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延结构，其特征在于，低温 GaN成核层(8)的厚度为20-40nm;高温GaN缓冲层(7)的厚度为0 · 2-lum; U型GaN层(6)的厚度 为l-3um; N型GaN层（5)的厚度为2-4um; P型AlGaN层（3)的厚度为50-200nm; P型GaN层（2)的 厚度为 100-800nm〇
【文档编号】H01L33/42GK105957933SQ201610580625
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月21日
【发明人】林传强
【申请人】湘能华磊光电股份有限公司