一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法，其LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括：襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、溝道層A、N型GaN層、溝道層B、多量子阱有源層、低溫P型GaN層、P型AlGaN層、高溫P型GaN層，本發(fā)明通過溝道層A、溝道層B的插入，一方面溝道層A可以有效的限制外延層與襯底之間由于晶格失配產(chǎn)生的位錯，減少外延層的缺陷密度，提高外延層質(zhì)量；另一方面，溝道層B可以擴展電流，緩解靜電對GaN基LED的沖擊，提高LED對靜電的耐受能力，并且可以使電子更有效均勻的進入量子阱中，增加電子在量子阱中的注入效率，從而提高GaN基LED的發(fā)光效率。
【專利說明】一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及III族氮化物材料制備【技術領域】，具體為一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法。
【背景技術】
[0002]發(fā)光二極管(LED,Light Emitting Diode)是一種半導體固體發(fā)光器件,其利用半導體PN結(jié)作為發(fā)光材料，可以直接將電轉(zhuǎn)換為光。當半導體PN結(jié)的兩端加上正向電壓后，注入PN結(jié)中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出各種顏色的光。
[0003]以氮化鎵為代表的III族氮化物是直接帶隙的寬禁帶半導體材料，具有電子飄移飽和速度高，熱導率好、強化學鍵、耐高溫以及抗腐蝕等優(yōu)良性能。其三元合金銦鎵氮(InGaN)帶隙從0.7eV氮化銦(InN)到3.4eV氮化鎵(GaN)連續(xù)可調(diào)，發(fā)光波長覆蓋了可見光和近紫外光的整個區(qū)域。以InGaN/GaN多量子阱為有源層的發(fā)光二極管具有高效、環(huán)保、節(jié)能、壽命長等顯著特點，被認為是最有潛力進入普通照明領域的一種新型固態(tài)冷光源。
[0004]GaN材料絕大多數(shù)是以藍寶石為襯底進行外延生長，這樣由于藍寶石與GaN基材料之間存在較大的晶格失配度和較大的熱膨脹系數(shù)差異，因此外延生長過程中外延層內(nèi)存在高密度的缺陷。另外，常規(guī)的GaN基LED芯片的P型電極和n型電極是位于同一側(cè)的，芯片發(fā)光時存在電流密度分布不均勻性，發(fā)光區(qū)域分布不均勻性等一系列問題出現(xiàn)。上述因素還會導致常規(guī)GaN基LED芯片的抗靜電能力差，靜電放電會造成LED器件突發(fā)性失效或潛在性失效。因此，優(yōu)化GaN及LED外延層結(jié)構(gòu)，提高電流密度均勻性、發(fā)光區(qū)域分布均勻性、抗靜電能力就尤為重要。
[0005]傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)中，雖然N-AlGaN層有所介紹，但是傳統(tǒng)的N-AlGaN都集中在N-GaN層附近插入的N-AlGaN單層，在N-GaN層插入的單層N-AlGaN層已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)行的中大功率LED芯片要求，導致芯片的抗靜電能力差，電流密度分布不均勻、發(fā)光區(qū)域分布不均勻。特別是最近在國內(nèi)少數(shù)單位開始興起的逐漸向大尺寸(4英寸外延技術)外延技術發(fā)展，外延的尺寸越大，其在外延過程中外延片的電性均勻性受到很大影響，從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足大尺寸外延抗靜電能力、發(fā)光區(qū)域分布等要求。
[0006]鑒于此，有必要提供一種能夠克服上述缺點的新型具有溝道層的技術及外延生長方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法，以解決上述【背景技術】中的問題。
[0008]本發(fā)明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn):一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法，其LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、溝道層A、N型GaN層、溝道層B、多量子阱有源層、低溫P型GaN層、P型AlGaN層、高溫P型GaN層，其LED外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括以下具體步驟:步驟一，將襯底在1000-120(TC氫氣氣氛里進行高溫清潔處理5-20min，然后進行氮化處理；
步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長厚度為20-30nm的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760Torr之間，V / III比為500-3200 ；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層2進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000-1200°C之間，外延生長厚度為0.5-2 μ m的GaN非摻雜層，生長壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 300-3000 ；
步驟四，所述低溫GaN非摻雜層生長結(jié)束后，將溫度調(diào)節(jié)至900-1100°C之間，通入三甲基鎵(TMGa)并同時通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層A，AlxGa^xN (0<χ<1)溝道層A中Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間；
步驟五，所述溝道層A生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層，厚度為1.2-4.2 μ m，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V / III比為300-3000 ；
步驟六，所述N型GaN層生長結(jié)束后，將溫度再調(diào)節(jié)至900-1100°C之間，通入三甲基鎵(TMGa)并三甲基鋁(TMAl)流量為O時停頓0_2min，且從O開始漸變方式通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層B，依此為單個循環(huán)；循環(huán)數(shù)目Loop數(shù)控制在1-5個Loop數(shù)之間，AlxGahN (0<χ<1)溝道層B中Al的摩爾組分含量控制在5%_30%之間，生長溝道層B厚度和Al的摩爾組分含量控制與溝道層A略有不同； 步驟七，所述溝道層B生長結(jié)束后，生長多量子阱有源層，所述多量子阱有源層由2-15個周期的InGaN/GaN多量子阱組成，I個周期的InGaN/GaN量子阱厚度在2_5nm之間，生長溫度為 720-920°C，壓力在 100-600Torr 之間，V / III比為 300-5000 ；
步驟八，所述多量子阱有源層生長結(jié)束后，生長厚度為IO-1OOnm的低溫P型GaN層，生長溫度在620-820°C之間，生長時間為5-35min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟九，所述低溫P型GaN層生長結(jié)束后，生長厚度為10-50nm的P型AlGaN層，生長溫度在900-1100 °C之間，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，V / III比為1000-20000, P型AlGaN層8中Al的摩爾組分含量控制在10%_30%之間；
步驟十，所述P型AlGaN層生長結(jié)束后，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層，生長溫度在850-950°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟十一，外延生長結(jié)束后，將反應室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0009]所述溝道層技術生長方法以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。[0010]與已公開技術相比，本發(fā)明存在以下優(yōu)點:本發(fā)明通過溝道層A、溝道層B的插入，一方面溝道層A可以有效的限制外延層與襯底之間由于晶格失配產(chǎn)生的位錯，減少外延層的缺陷密度，提高外延層質(zhì)量；另一方面，溝道層B可以擴展電流，緩解靜電對GaN基LED的沖擊，提高LED對靜電的耐受能力，并且可以使電子更有效均勻的進入量子阱中，增加電子在量子阱中的注入效率，從而提高GaN基LED的發(fā)光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明的在生長溝道層A、N型GaN層、溝道層B三層時兩種源的通入方式?！揪唧w實施方式】
[0013]為了使本發(fā)明的技術手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法達成目的與功效易于明白了解，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0014]實施例1
如圖1所示，一種提高氮化鎵基LED發(fā)光效率的外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底-1、低溫GaN緩沖層-2、GaN非摻雜層_3、溝道層A-4、N型GaN層-5、溝道層B-6、多量子阱有源層-7、低溫P型GaN層-8、P型AlGaN層_9、高溫P型GaN層-10，其LED外延結(jié)構(gòu)生長方法包括以下具體步驟:
步驟一，將襯底-1在120(TC氫氣氣氛里進行高溫清潔處理20min，然后進行氮化處理，襯底I是適合GaN基半導體外延材料生長的材料，如藍寶石、GaN和碳化硅(SiC)單晶等；不限于藍寶石圖形襯底，其圖形底部尺寸為0.5-5um,圖形間距為0.3-3um,圖形高度為
0.5-3um。圖形頂部沒有平臺，且圖形呈半球形。
[0015]步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長厚度為30nm的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760Torr之間，V / III比為3200 ；
步驟三， 所述低溫GaN緩沖層-2生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層2進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1200°C，外延生長厚度為0.5-2iim的GaN非摻雜層_3，生長壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 300-3000 ；
步驟四，所述低溫GaN非摻雜層-3生長結(jié)束后，將溫度調(diào)節(jié)至1100°C，通入三甲基鎵(TMGa)并同時通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層A-4。AlxGa1^xN (0<x<l)溝道層A_4中Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間。
[0016]步驟五，所述溝道層A-4生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層-5，厚度為 1.2-4.2 ii m，生長溫度為 1200°C，壓力在 100_600Torr 之間，V /III比為 300-3000 ；
步驟六，所述N型GaN層-5生長結(jié)束后，將溫度再調(diào)節(jié)至1100°C，通入三甲基鎵(TMGa)并三甲基鋁(TMAl)流量為0時停頓0-2min，且從0開始漸變方式通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層B-6，依此為單個循環(huán)。循環(huán)數(shù)目Loop數(shù)控制在1-5個Loop數(shù)之間，AlxGa1^xN(0〈χ〈1)溝道層B-6中Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間，生長溝道層B-6厚度和Al的摩爾組分含量控制與溝道層A-4略有不同。
[0017]步驟七，所述溝道層B-6生長結(jié)束后，生長多量子阱有源層_7，所述多量子阱有源層-7由2-15個周期的InGaN/GaN多量子阱組成，I個周期的InGaN/GaN量子阱厚度在
2-5nm之間，生長溫度為920°C，壓力在100_600Torr之間，V / III比為300-5000 ；
步驟八，所述多量子阱有源層-7生長結(jié)束后，生長厚度為IO-1OOnm的低溫P型GaN層_8，生長溫度為820°C，生長時間為5-35min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟九，所述低溫P型GaN層-8生長結(jié)束后，生長厚度為10-50nm的P型AlGaN層-9，生長溫度為1100°C，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，V /III比為1000-20000，P型AlGaN層8中Al的摩爾組分含量控制在10%_30%之間；
步驟十，所述P型AlGaN層-9生長結(jié)束后，生長厚度為800nm的高溫P型GaN層-10，生長溫度為950°C，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；步驟十一，外延生長結(jié)束后，將反應室的溫度降至800°C，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得如圖1所示的LED外延結(jié)構(gòu)。
[0018]隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續(xù)加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0019]實施例2
一種提高氮化鎵基LED發(fā)光效率的外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底-1、低溫GaN緩沖層-2、GaN非摻雜層_3、溝道層A_4、N型GaN層-5、溝道層B-6、多量子阱有源層- 7、低溫P型GaN層-8、P型AlGaN層_9、高溫P型GaN層-10，其LED外延結(jié)構(gòu)生長方法包括以下具體步驟:
步驟一，將襯底-1在1(KKTC氫氣氣氛里進行高溫清潔處理5min，然后進行氮化處理，襯底I是適合GaN基半導體外延材料生長的材料，如藍寶石、GaN和碳化硅(SiC)單晶等；不限于藍寶石圖形襯底，其圖形底部尺寸為0.5-5um,圖形間距為0.3-3um,圖形高度為
0.5-3um。圖形頂部沒有平臺，且圖形呈半球形。
[0020]步驟二，將溫度下降到500°C，生長厚度為20nm的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在 300-760Torr 之間，V / III比為 500-3200 ；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層-2生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900°C，對所述低溫GaN緩沖層2進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000°C，外延生長厚度為0.5-2 μ m的GaN非摻雜層_3，生長壓力在100-500Torr 之間，V / III比為 300-3000 ；
步驟四，所述低溫GaN非摻雜層-3生長結(jié)束后，將溫度調(diào)節(jié)至900-1100°C之間，通入三甲基鎵(TMGa)并同時通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層A-4。AlxGa1^xN (0<χ<1)溝道層A-4中Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間。
[0021]步驟五，所述溝道層A-4生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層-5，厚度為 1.2-4.2 μ m，生長溫度為 1000°C，壓力在 100_600Torr 之間，V /III比為 300-3000 ；
步驟六，所述N型GaN層-5生長結(jié)束后，將溫度再調(diào)節(jié)至900°C，通入三甲基鎵(TMGa)并三甲基鋁(TMAl)流量為O時停頓0-2min，且從O開始漸變方式通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層B-6，依此為單個循環(huán)。循環(huán)數(shù)目Loop數(shù)控制在1-5個Loop數(shù)之間，AlxGa1^xN(0〈x〈l)溝道層B-6中Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間，生長溝道層B-6厚度和Al的摩爾組分含量控制與溝道層A-4略有不同。
[0022]步驟七，所述溝道層B-6生長結(jié)束后，生長多量子阱有源層_7，所述多量子阱有源層-7由2-15個周期的InGaN/GaN多量子阱組成，I個周期的InGaN/GaN量子阱厚度在
2-5nm之間，生長溫度為720°C，壓力在100_600Torr之間，V / III比為300-5000 ；
步驟八，所述多量子阱有源層-7生長結(jié)束后，生長厚度為IO-1OOnm的低溫P型GaN層_8，生長溫度為620°C，生長時間為5-35min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟九，所述低溫P型GaN層-8生長結(jié)束后，生長厚度為10-50nm的P型AlGaN層-9，生長溫度為900°C，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，V / III比為1000-20000，P型AlGaN層8中Al的摩爾組分含量控制在10%_30%之間；
步驟十，所述P型AlGaN層-9生長結(jié)束后，生長厚度為IOOnm的高溫P型GaN層-10，生長溫度為850°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V / III比為300-5000 ；
步驟十一，外延生長結(jié)束后，將反應室的溫度降至650°C，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得如圖1所示的LED外延結(jié)構(gòu)。
[0023]隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續(xù)加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0024]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明的要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法，其LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、溝道層A、N型GaN層、溝道層B、多量子阱有源層、低溫P型GaN層、P型AlGaN層、高溫P型GaN層，其特征在于:其LED外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括以下具體步驟: 步驟一，將襯底在1000-120(TC氫氣氣氛里進行高溫清潔處理5-20min，然后進行氮化處理； 步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長厚度為20-30nm的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760Torr之間，V / III比為500-3200 ； 步驟三，所述低溫GaN緩沖層生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層2進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000-1200°C之間，外延生長厚度為0.5-2 ii m的GaN非摻雜層，生長壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 300-3000 ； 步驟四，所述低溫GaN非摻雜層生長結(jié)束后，將溫度調(diào)節(jié)至900-1100°C之間，通入三甲基鎵(TMGa)并同時通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層A，AlxGa^xN (0<x<l)溝道層A中Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間； 步驟五，所述溝道層A生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層，厚度為1.2-4.2iim，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V / III比為300-3000 ； 步驟六，所述N型GaN層生長結(jié)束后，將溫度再調(diào)節(jié)至900-1100°C之間，通入三甲基鎵(TMGa)并三甲基鋁(TMAl)流量為0時停頓0_2min，且從0開始漸變方式通入三甲基鋁(TMAl)生長溝道層B，依此為單個循環(huán)；循環(huán)數(shù)目Loop數(shù)控制在1-5個Loop數(shù)之間，AlxGahN (0<x<l)溝道層B中Al的摩爾組分含量控制在5%_30%之間，生長溝道層B厚度和Al的摩爾組分含量控制與溝道層`A略有不同； 步驟七，所述溝道層B生長結(jié)束后，生長多量子阱有源層，所述多量子阱有源層由2-15個周期的InGaN/GaN多量子阱組成，I個周期的InGaN/GaN量子阱厚度在2_5nm之間，生長溫度為 720-920°C，壓力在 100-600Torr 之間，V / III比為 300-5000 ； 步驟八，所述多量子阱有源層生長結(jié)束后，生長厚度為IO-1OOnm的低溫P型GaN層，生長溫度在620-820°C之間，生長時間為5-35min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ； 步驟九，所述低溫P型GaN層生長結(jié)束后，生長厚度為10-50nm的P型AlGaN層，生長溫度在900-1100 °C之間，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，V / III比為1000-20000, P型AlGaN層8中Al的摩爾組分含量控制在10%_30%之間； 步驟十，所述P型AlGaN層生長結(jié)束后，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層，生長溫度在850-950°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ； 步驟十一，外延生長結(jié)束后，將反應室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的溝道層技術生長方法，其特征在于:所述溝道層技術生長方法以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源， 用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
【文檔編號】H01L33/00GK103715316SQ201410001887
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】吳禮清, 牛勇, 郭麗彬, 楊奎 申請人:合肥彩虹藍光科技有限公司