本發(fā)明屬于半導體
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法。
背景技術(shù)：
：LED產(chǎn)品的波長、亮度、正向電壓等主要參數(shù)均取決于外延生長工藝，因此外延生長是LED制造工藝的核心組成部分。外延生長技術(shù)與設(shè)備是外延材料制造的關(guān)鍵所在，化合物半導體一般采用化學合成方法來制備，按照沉積技術(shù)的不同分為LPE(液相沉積)、MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)、HVPE(氫化物氣相沉積)和MBE(分子束沉積)等。LPE的技術(shù)成熟，生長速度較快但無法生長量子阱、超晶格材料；氫化物汽相外延，適應(yīng)于Ⅲ-Ⅴ氮化物半導體薄膜和超晶格外延生長的一種新技術(shù)，生長速率快，但晶格質(zhì)量較差，適用范圍?。籑BE工藝控制能力好，易長成極薄的外延層，純度高平整性好，但生長速度慢導致量產(chǎn)能力較低。MOCVD技術(shù)具備MBE具有大多數(shù)優(yōu)點外，其量產(chǎn)能力較MBE高很多，綜合考慮LED生產(chǎn)均采用MOCVD生長技術(shù)。目前外延生長工藝主要是針對水平結(jié)構(gòu)芯片，為降低產(chǎn)品的正向電壓，在P-GaN表面做了相應(yīng)外延結(jié)構(gòu)設(shè)計；為提高發(fā)光效率使用圖形化襯底生長或采用P-GaN表面粗化技術(shù)，但這些工藝技術(shù)對于垂直結(jié)構(gòu)LED芯片而言，不僅無法實現(xiàn)其設(shè)計初衷，甚至會影響產(chǎn)品最終的性能，因此必須研發(fā)出適合垂直結(jié)構(gòu)芯片的外延結(jié)構(gòu)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法，分別以氨氣、高純?nèi)谆?、TMAl、TEGa、以及高純?nèi)谆墳樵?，分別以SiH4和Cp2Mg作為n和p型摻雜劑，以氫氣或氮氣為載氣，通入反應(yīng)室與氨氣在900～1100℃發(fā)生化學反應(yīng)，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半導體，在藍寶石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉積，制成所述外延結(jié)構(gòu)。進一步的，所述方法包括以下步驟：步驟1：在1070～1090℃溫度下、壓力為150torr下通N2烘烤10～30min，氮化藍寶石、SiC或Si襯底；步驟2：將步驟1氮化后的藍寶石、SiC或Si襯底降溫至515～535℃、壓力為800torr，然后在襯底上生長厚度為0.8～1.2μm的低應(yīng)力緩沖層，隨后升溫至1030～1050℃、壓力為400torr使低應(yīng)力緩沖層重新結(jié)晶，再生長0.8～1μm的N型粗化層；步驟3：升溫至1070～1090℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的N型電極層，厚度為0.8～1μm，再生長重Si摻雜的N型GaN層，厚度為1.8～2.5μm；步驟4：在N型GaN層的基礎(chǔ)上生長n-GaN電子擴散層，厚度為80～120nm；步驟5：在阱的生長溫度740～760℃，壘的生長溫度為820～840℃、壓力為200torr下生長18～23個周期的InGaN/GaN超晶格作為多量子阱層，多量子阱層厚度為150～200nm；步驟6：升溫至960～980℃，壓力為150torr生長PAlGaN電子阻擋層，厚度為20～50nm；降溫至920～940℃，壓力為150torr生長Mg摻雜的P型GaN層，厚度為100～150nm；生長高Mg摻雜的P型GaN電極層，厚度為10～20nm；步驟7：生長CTL層，厚度為10～30nm，然后降溫至700～730℃進行退火60～120min，之后隨爐冷卻。進一步的，步驟4中，所述n-GaN電子擴散層上再生長應(yīng)力釋放層，厚度為100nm；原料為TMGa、SiH4和NH3。進一步的，所述步驟5具體為：先生長10～15個周期厚度為80～100nm的In輕摻雜的InGaN/GaN超晶格，具體為：先生長30～40nm的GaN-cap層，再生長5～10nm的barrierGaN層，最后生長1.5～2nm的InGaN阱層。進一步的，所述步驟5中，再生長8個周期厚度為100～150nm的In重摻雜的InGaN/GaN，具體為：先生長10～15nm的barrierGaN層，再生長2～5nm的InGaN阱層，最后生長30～40nm的GaNcap層。進一步的，步驟6中，所述P型GaN層包括空穴擴散層和空穴注入層，所述空穴擴散層厚度為30～50nm，所述空穴注入層厚度為50～100nm。進一步的，所述PAlGaN電子阻擋層厚度為30nm，所述P型GaN層厚度為110nm，所述P型GaN電極層厚度為10nm，所述空穴擴散層厚度為30nm，所述空穴注入層厚度為80nm。進一步的，步驟2中，所述低應(yīng)力緩沖層厚度為1.2μm，所述N型粗化層厚度為0.8μm。進一步的，步驟3中，所述N型電極層厚度為0.8μm，所述N型GaN層厚度為2μm。進一步的，步驟7中，所述CTL層厚度為10nm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法，以氨氣、TMIn、TMAl、TEGa、以及TMGa為源，分別以SiH4和Cp2Mg作為n和p型摻雜劑，以氫氣或氮氣為載氣，通入反應(yīng)室與氨氣在900～1100℃發(fā)生化學反應(yīng)，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半導體，在藍寶石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉積，制成外延結(jié)構(gòu)，可以通過精確控制氣態(tài)源的流量和通斷時間來控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度等，生長速率調(diào)節(jié)范圍較廣，較快的生長速率能夠適用于批量生長。進一步的，采用低應(yīng)力外延結(jié)構(gòu)設(shè)計，在襯底和外延層之間插入新型過渡層，有效減小外延層與襯底之間的適配度，同時對外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化進一步釋放外延層應(yīng)力。翹曲度小于250km-1。低位錯密度外延，通過預(yù)成核方法，在外延生長之前于襯底上形成晶體質(zhì)量較好晶核，提供后續(xù)外延高質(zhì)量生長的基礎(chǔ)。位錯密度低于5E108/cm2。進一步的，采用非對稱啁啾能帶結(jié)構(gòu)，在LED有源層加載非對稱啁啾能帶結(jié)構(gòu)，降低基于LED量子阱層由于極化效應(yīng)產(chǎn)生的載子波函數(shù)失配，使其分布比例更加均勻。提高LED器件的內(nèi)量子效率，提升芯片發(fā)光效率。進一步的，采用高注入電流外延結(jié)構(gòu)，在有源區(qū)和P型GaN間插入電子阻擋層，有效解決大電流注入效率降低的問題，在電子阻擋層和P型GaN間插入空穴擴散層，解決了大電流下空穴不足問題。提高垂直芯片電流注入，最大電流注入可達到2A，脈沖工作方式電流更高。進一步的，空穴擴散層和空穴注入層采用載流子調(diào)制技術(shù)，調(diào)控電子和空穴的分布狀態(tài)，促進電流均勻分布，保證垂直芯片在大電流工作狀況下光電參數(shù)性能穩(wěn)定。特殊量子阱結(jié)構(gòu)和空穴注入結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高LED電流飽和閾值，高電流密度下，隨電流增加亮度持續(xù)增加。進一步的，通過工藝參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整將外延材料晶體質(zhì)量(缺陷密度)控制在合理范圍，晶體質(zhì)量對產(chǎn)品的光電參數(shù)都存在一定的影響。綜上所述，采用低應(yīng)力緩沖層技術(shù)提高襯底轉(zhuǎn)移良品率，低應(yīng)力緩沖層技術(shù)可以良好的釋放襯底與外延層之間應(yīng)力。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述?！靖綀D說明】圖1為本發(fā)明外延結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】本發(fā)明一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法，在外延生長結(jié)構(gòu)設(shè)計上，需兼顧襯底和外延層晶格匹配、外延剝離和外延質(zhì)量兩方面因素。使其對于緩沖層生長調(diào)整、外延缺陷控制和不同材料間應(yīng)力調(diào)節(jié)控制的要求，比水平芯片要更加復雜和困難。所以本項目必須設(shè)計開發(fā)出適合于垂直結(jié)構(gòu)芯片專用的外延結(jié)構(gòu)，改善和提升垂直結(jié)構(gòu)芯片應(yīng)力控制和產(chǎn)品光電性能。因此專有外延設(shè)計是其核心工藝技術(shù)之一，也是獲得垂直結(jié)構(gòu)芯片的首要條件之一。請參閱圖1所示，一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法，分別以氨氣、高純?nèi)谆?TMIn)、TMAl、TEGa、以及高純?nèi)谆?TMGa)為源料，分別以SiH4和Cp2Mg作為n和p型摻雜劑，以氫氣或氮氣為載氣，通入反應(yīng)室與氨氣在900～1100℃發(fā)生化學反應(yīng)，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半導體，在藍寶石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉積，制成所述外延結(jié)構(gòu)。具體包括以下步驟：步驟1：在1070～1090℃溫度下、壓力為150torr下通N2烘烤10～30min，氮化藍寶石、SiC或Si襯底。步驟2：將步驟1氮化后的藍寶石、SiC或Si襯底降溫至515～535℃、壓力為800torr，然后在襯底上生長厚度為0.8～1.2nm的低應(yīng)力緩沖層，隨后升溫至1030～1050℃、壓力為400torr使低應(yīng)力緩沖層重新結(jié)晶，再生長0.8～1μm的N型粗化層，原料為TMGa和NH3；所述TMGa的體積流量為200sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm。步驟3：升溫至1070-1090℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的N型電極層，厚度為0.8～1μm，原料為TMGa、SiH4和NH3；所述TMGa的體積流量為340sccm，所述SiH4的體積流量為0.5～1sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm；再生長重Si摻雜的N型GaN層，厚度為1.8～2.5μm；原料為TMGa、SiH4和NH3；所述TMGa的體積流量為340sccm，所述SiH4的體積流量為3～6.5sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm。步驟4：在N型GaN層的基礎(chǔ)上生長n-GaN電子擴散層，厚度為80～120nm，原料為TMGa、SiH4和NH3；所述TMGa的體積流量為340sccm，所述SiH4的體積流量為0.5～1sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm；所述n-GaN電子擴散層上再生長應(yīng)力釋放層，厚度為50～100nm；原料為TMGa、SiH4和NH3；所述TMGa的體積流量為340sccm，所述SiH4的體積流量為0.5～1sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm。步驟5：在阱的生長溫度740～760℃，壘的生長溫度為820～840℃、壓力為200torr下生長18～23個周期的InGaN/GaN超晶格作為多量子阱層，多量子阱層厚度為150～200nm；先生長10～15個周期厚度為80～100nm的In輕摻雜的InGaN/GaN，具體為：生長30～40nm的GaN-cap層，原料為TMGa、SiH4和NH3，所述TMGa的體積流量為340sccm，所述SiH4的體積流量為0.5～1sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm；再生長5～10nm的barrierGaN層，原料為TEGa、SiH4和NH3，所述TEGa的體積流量為450sccm，所述SiH4的體積流量為0.5～1sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm；最后生長1.5～2nm的InGaN阱層，原料為TEGa、TMIn和NH3；所述TEGa的體積流量為450sccm，所述TMIn的體積流量為570sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm；再生長8個周期厚度為100～150nm的In重摻雜的InGaN/AlGaN，具體為：先生長10～15nm的barrierGaN層，原料為TEGa、SiH4和NH3，所述TEGa的體積流量為450sccm，所述SiH4的體積流量為0.5sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm；再生長2～5nm的InGaN阱層，原料為TEGa、TMIn和NH3，所述TEGa的體積流量為450sccm，所述TMIn的體積流量為570sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm；最后生長30～40nm的GaN-cap層，原料為TMGa、SiH4和NH3，所述TMGa的體積流量為340sccm，所述SiH4的體積流量為0.5sccm，所述NH3的體積流量為35000sccm。步驟6：升溫至960～980℃，壓力為150torr生長PAlGaN電子阻擋層，厚度為20～50nm，原料為TMGa、TMAl、Cp2Mg和NH3；所述TMGa的體積流量為38sccm，所述TMAl的體積流量為100sccm，所述Cp2Mg的體積流量為1800sccm，所述NH3的體積流量為32000sccm；所述P型GaN還包括空穴擴散層和空穴注入層，所述空穴擴散層厚度為30～50nm，原料為TMGa、Cp2Mg和NH3，所述TMGa的體積流量為38sccm，所述Cp2Mg的體積流量為1600sccm，所述NH3的體積流量為30000sccm；所述空穴注入層厚度為50～100nm，原料為TMGa、Cp2Mg和NH3，所述TMGa的體積流量為38sccm，所述Cp2Mg的體積流量為1600sccm，所述NH3的體積流量為30000sccm；降溫至920～940℃，壓力為150torr生長Mg摻雜的P型GaN層，厚度為100～150nm，原料為TMGa、Cp2Mg和NH3，所述TMGa的體積流量為38sccm，所述Cp2Mg的體積流量為1600sccm，所述NH3的體積流量為30000sccm；；生長高Mg摻雜的P型GaN電極層，厚度為10～20nm，原料為TMGa、Cp2Mg和NH3，所述TMGa的體積流量為38sccm，所述Cp2Mg的體積流量為1600sccm，所述NH3的體積流量為30000sccm。步驟7：生長CTL層，厚度為10～30nm，然后降溫至700～730℃進行退火60～120min，之后隨爐冷卻。實施例1一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法，包括以下步驟：步驟1：在1070℃溫度下、壓力為150torr下通N2烘烤10min，氮化藍寶石、SiC或Si襯底；步驟2：將步驟1氮化后的藍寶石、SiC或Si襯底降溫至515℃、壓力為800torr，然后在襯底上生長厚度為0.8μm的低應(yīng)力緩沖層，隨后升溫至1030℃、壓力為400torr使低應(yīng)力緩沖層重新結(jié)晶，再生長0.8μm的N型粗化層；步驟3：升溫至1070℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的N型電極層，厚度為0.8μm，再生長重Si摻雜的N型GaN層，厚度為1.8μm；步驟4：在N型GaN層的基礎(chǔ)上生長n-GaN電子擴散層，厚度為80nm；所述n-GaN電子擴散層上再生長應(yīng)力釋放層，厚度為100nm；步驟5：在阱的生長溫度740℃，壘的生長溫度為820℃、壓力為200torr下先生長10個周期厚度為80nm的In輕摻雜的InGaN/GaN，具體為：先生長30nm的GaN-cap層，再生長5nm的barrierGaN層，最后生長1.5nm的InGaN阱層；再生長8個周期厚度為100nm的In重摻雜的InGaN/GaN，具體為：先生長10nm的barrierGaN層，再生長2nm的InGaN阱層，最后生長30nm的GaNcap層；步驟6：升溫至960℃，壓力為150torr生長PAlGaN電子阻擋層，厚度為20nm；降溫至920℃，壓力為150torr生長Mg摻雜的P型GaN層，厚度為100nm；生長高Mg摻雜的P型GaN電極層，厚度為10nm；步驟7：生長CTL層，厚度為10nm，然后降溫至700℃進行退火60min，之后隨爐冷卻。實施例2一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法，包括以下步驟：步驟1：在1080℃溫度下、壓力為150torr下通N2烘烤20min，氮化藍寶石、SiC或Si襯底；步驟2：將步驟1氮化后的藍寶石、SiC或Si襯底降溫至525℃、壓力為800torr，然后在襯底上生長厚度為1μm的低應(yīng)力緩沖層，隨后升溫至1040℃、壓力為400torr使低應(yīng)力緩沖層重新結(jié)晶，再生長0.9μm的N型粗化層；步驟3：升溫至1080℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的N型電極層，厚度為0.8μm，再生長重Si摻雜的N型GaN層，厚度為2.1μm；步驟4：在N型GaN層的基礎(chǔ)上生長n-GaN電子擴散層，厚度為100nm；所述n-GaN電子擴散層上再生長應(yīng)力釋放層，厚度為100nm；步驟5：在阱的生長溫度750℃，壘的生長溫度為830℃、壓力為200torr下先生長13個周期厚度為90nm的In輕摻雜的InGaN/GaN，具體為：先生長35nm的GaN-cap層，再生長8nm的barrierGaN層，最后生長1.8nm的InGaN阱層；再生長8個周期厚度為130nm的In重摻雜的InGaN/GaN，具體為：先生長13nm的barrierGaN層，再生長3.5nm的InGaN阱層，最后生長35nm的GaNcap層；步驟6：升溫至970℃，壓力為150torr生長PAlGaN電子阻擋層，厚度為35nm；降溫至930℃，壓力為150torr生長Mg摻雜的P型GaN層，厚度為130nm；生長高Mg摻雜的P型GaN電極層，厚度為15nm；步驟7：生長CTL層，厚度為20nm，然后降溫至720℃進行退火100min，之后隨爐冷卻。實施例3一種垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延的制備方法，包括以下步驟：步驟1：在1090℃溫度下、壓力為150torr下通N2烘烤30min，氮化藍寶石、SiC或Si襯底；步驟2：將步驟1氮化后的藍寶石、SiC或Si襯底降溫至535℃、壓力為800torr，然后在襯底上生長厚度為1.2μm的低應(yīng)力緩沖層，隨后升溫至1050℃、壓力為400torr使低應(yīng)力緩沖層重新結(jié)晶，再生長1μm的N型粗化層；步驟3：升溫至1090℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的N型電極層，厚度為1μm，再生長重Si摻雜的N型GaN層，厚度為2.5μm；步驟4：在N型GaN層的基礎(chǔ)上生長n-GaN電子擴散層，厚度為120nm；所述n-GaN電子擴散層上再生長應(yīng)力釋放層，厚度為100nm；步驟5：在阱的生長溫度760℃，壘的生長溫度為840℃、壓力為200torr下先生長15個周期厚度為100nm的In輕摻雜的InGaN/GaN，具體為：先生長40nm的GaN-cap層，再生長10nm的barrierGaN層，最后生長2nm的InGaN阱層；再生長8個周期厚度為150nm的In重摻雜的InGaN/GaN，具體為：先生長15nm的barrierGaN層，再生長5nm的InGaN阱層，最后生長40nm的GaNcap層；步驟6：升溫至980℃，壓力為150torr生長PAlGaN電子阻擋層，厚度為50nm；降溫至940℃，壓力為150torr生長Mg摻雜的P型GaN層，厚度為150nm；生長高Mg摻雜的P型GaN電極層，厚度為20nm；步驟7：生長CTL層，厚度為30nm，然后降溫至730℃進行退火120min，之后隨爐冷卻。根據(jù)所述方法制備的垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延結(jié)構(gòu)技術(shù)指標如下表所示：測試項目項目約定指標實測數(shù)據(jù)測試條件波長450nm-460nm450nm-460nm10msec@20mA正向工作電壓/2.9-3.2V10msec@20mA波長分布半寬＜3.5nm≤2nm2mmx2mm間隔，PL測試儀垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延表面形貌：表面形貌是外延片評價指標之一，反映外延生長工藝控制能力的優(yōu)劣。利用高倍光學顯微鏡和原子力顯微鏡(AFM)，可以觀察外延片表面平整度及其原子級排布狀況，從而獲取外延晶體質(zhì)量生長信息。在光學顯微鏡圖中，外延表面光滑平整無明顯缺陷；AFM測試圖片證明氮化鎵表面原子排布整齊，原子臺階清晰。外延晶體質(zhì)量是衡量LED外延片等級的一項重要參考指標。利用高分辨率XRD測試，分析XRD圖中搖擺曲線半峰寬值來評價外延薄膜的晶體質(zhì)量。晶體質(zhì)量對搖擺曲線的影響表現(xiàn)在半峰寬的寬化效應(yīng)，兩者存在對應(yīng)關(guān)系。從XRD測試結(jié)果計算獲得外延結(jié)構(gòu)的螺位錯和刃位錯缺陷密度，新光源外延片(002)面半峰寬值為293arcsec,其(102)面半峰寬值為312arcsec。刃位錯的缺陷密度約為2.82×108cm-2，螺位錯的缺陷密度約為1.65×108cm-2，缺陷控制均處于較好的水平。垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延材料載流子濃度：N型GaN摻雜原子為Si，P型GaN摻雜原子為Mg。為滿足垂直結(jié)構(gòu)LED大電流工作，需要較高的N型GaN電子濃度和P型GaN空穴濃度。在GaN單晶材料中摻入雜質(zhì)原子越多，獲得的晶體質(zhì)量越差，最終會導致載流子遷移率降低。在室溫條件下進行Hall測試，N型GaN載流子濃度在1018cm-3范圍時，載流子遷移率超過200cm2/vs為良好。新光源樣品在同等條件下測試，遷移率達到372.44cm2/vs，材料性能優(yōu)良。Mg摻雜p-GaN形成空穴困難，空穴濃度低，遷移率小，導致P型氮化鎵材料電流擴展性差，接觸電阻較大，發(fā)光亮度、發(fā)光效率低等問題。采用非均勻摻雜技術(shù)，降低活化能，提高Mg活化效率。在室溫條件假進行Hall測試，空穴濃度1018cm-3以上，屬于業(yè)內(nèi)先進水平。垂直結(jié)構(gòu)LED藍光外延波長均勻性控制：外延片發(fā)光波長直接影響外延芯片的波長良品率。制備過程中，波長均勻性控制難度較高，采用應(yīng)力釋放技術(shù)對特殊結(jié)構(gòu)調(diào)整生長速率以達到均勻生長的效果，同時對設(shè)備硬件、生產(chǎn)工藝進行控制，有效提高了外延片波長均勻性。同爐外延片中波長80％上下均差在5nm之內(nèi)。外延片波長分布區(qū)間在450nm-460nm之間，同時波長分布半寬都在2nm以內(nèi)以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3