本發(fā)明屬于半導體
技術領域：
，具體涉及一種垂直結構LED紫光外延結構及其制備方法。
背景技術：
：隨著科技進步和新型能源發(fā)展，固態(tài)LED照明將成為未來世界發(fā)光的趨勢，由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長、低耗、低熱等優(yōu)點，已經大面積地應用于交通指示燈、交通信號燈、景觀裝飾燈、顯示屏、汽車尾燈、手機背光源等領域。目前市場上的LED等主要以藍綠光為主，紅黃光次之，紫光及紫外的LED產品比較少，主要由于紫光的LED制造難度大、光效低。隨著LED應用的發(fā)展，紫光LED的市場需求越來越大，普遍應用于醫(yī)療器械、醫(yī)學測量、衛(wèi)生消毒、驗鈔點鈔檢驗設備、防偽行業(yè)、生物統計安全性檢測，涵蓋醫(yī)療、衛(wèi)生、金融、生物、檢測、公共安全等各個方面。目前紫光LED外延生長技術還不夠成熟，一方面受制于紫光生長材料特性，另一方面是由于紫光LED能帶結構的影響，導致了目前紫光LED芯片的發(fā)光效率較低，制備成本高，難度大，成品率低等。因此，如何制備高功率的紫光LED芯片成為非常迫切的需求。技術實現要素：本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種垂直結構LED紫光外延的結構及其制備方法，適合波長范圍365-420nm，能夠很大程度降低紫光LED的正向電壓，同時提升紫光LED外延的內量子效率，并有效提高了紫光LED器件的可靠性。本發(fā)明采用以下技術方案：一種垂直結構LED紫光外延的制備方法，包括如下步驟：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，襯底厚度為430～450μm；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15～35nm的基底，隨后升溫至1030～1050℃、壓力為400torr使基底重新結晶，再生長1.8～2.5μm的u-GaN修復層；步驟3：升溫至1070～1090℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的n-GaN層，厚度為500～600nm，再生長重Si摻雜的n-GaN層，厚度為300～400nm；步驟4：在所述重Si摻雜n-GaN層的基礎上生長n-AlGaN電流擴展層，厚度為80～240nm；步驟5：在n-AlGaN層的基礎上生長Si摻雜的n+GaN層，厚度為2～4μm，隨后生長不摻Si的n-GaN層500～600nm；步驟6：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10～20個周期的不摻雜Al的InGaN/GaN超晶格，再生長8個周期Al摻雜的InGaN/AlGaN；所述多量子阱層厚度為250～350nm；步驟7：升溫至960～980℃，壓力為150torr生長PAlGaN層，厚度為1～200nm；降溫至920～940℃，壓力為150torr生長輕Mg摻雜的P+GaN層，厚度為0.1～0.2μm；生長重Mg摻雜的P++GaN層，厚度為5～20nm；步驟8：生長CTL層，厚度為10～30nm。優(yōu)選的，步驟1中，所述襯底厚度為430μm。優(yōu)選的，步驟2中，所述u-GaN修復層厚度為2μm。優(yōu)選的，步驟4中，n-AlGaN電流擴展層厚度為200nm。優(yōu)選的，所述步驟6中先生長10～20個周期厚度為80～120nm的不摻雜Al的InGaN/GaN超晶格，具體為：先生長30～40nm的GaN-cap層，再生長5～15nm的barrierGaN層，最后生長1.5～5nm的InGaN阱層。優(yōu)選的，所述步驟6中，再生長8個周期厚度為100～150nm的Al摻雜的InGaN/AlGaN，具體為：先生長5～15nm的barrierInGaN層，再生長1.5～5nm的AlGaN阱層，最后生長30～40nm的GaN-cap層。優(yōu)選的，步驟8中，CTL層生長完畢后，降溫至710～730℃進行退火60-120min，之后隨爐冷卻。一種垂直結構LED紫光外延結構，包括依次生長的以下各層：藍寶石襯底；u-GaN修復層及基底；n-GaN輕摻過渡層；n-GaN重摻；n-AlGaN層；重摻n-GaN層；n-GaN輕摻電流擴展層；MQWS層；摻雜p型AlGaN阻擋層；摻雜p型GaN層；摻雜pp型GaN層；CTL層，其中，所述外延結構的波長分布區(qū)間為360～410nm。與現有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明一種垂直結構LED紫光外延的制備方法，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，通入反應室與氨氣在900～1100℃發(fā)生化學反應，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，制成外延結構，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，采用修復層外延結構設計，在襯底和外延層之間插入修復層和基底，有效減小外延層與襯底之間的適配度，同時對外延結構優(yōu)化進一步釋放外延層應力。翹曲度小于250km-1。低位錯密度外延，通過預成核方法，在外延生長之前于襯底上形成晶體質量較好晶核，提供后續(xù)外延高質量生長的基礎。位錯密度低于5E108/cm2。進一步的，多量子阱層為非對稱啁啾能帶結構，在LED有源層加載非對稱啁啾能帶結構，降低基于LED量子阱層由于極化效應產生的載子波函數失配，使其分布比例更加均勻。提高LED器件的內量子效率，提升芯片發(fā)光效率。進一步的，通過工藝參數優(yōu)化和調整將外延材料晶體質量(缺陷密度)控制在合理范圍，晶體質量對產品的光電參數都存在一定的影響。一種垂直結構LED紫光外延結構采用修復層及基底技術提高襯底轉移良品率，氮化鎵材料、藍寶石襯底以及鍵合襯底之間若存在嚴重應力不匹配狀況，會導致襯底轉移良率降低，修復層及基底技術可以良好的釋放襯底與外延層之間應力。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述?！靖綀D說明】圖1為本發(fā)明外延結構示意圖。【具體實施方式】在外延生長結構設計上，需兼顧襯底和外延層晶格匹配、外延剝離和外延質量兩方面因素。使其對于緩沖層生長調整、外延缺陷控制和不同材料間應力調節(jié)控制的要求，比水平芯片要更加復雜和困難。所以必須設計開發(fā)出適合于垂直結構芯片專用的外延結構，改善和提升垂直結構芯片應力控制和產品光電性能。因此專有外延設計是其核心工藝技術之一，也是獲得垂直結構芯片的首要條件之一。請參閱圖1所示，本發(fā)明一種垂直結構LED紫光外延結構，其特征在于，包括依次生長的以下各層：藍寶石襯底；u-GaN修復層及基底；n-GaN輕摻過渡層；n-GaN重摻；n-AlGaN層；重摻n-GaN層；n-GaN輕摻電流擴展層；MQWS層；摻雜p型AlGaN阻擋層；摻雜p型GaN層；摻雜pp型GaN層；CTL層，其中，所述外延結構的波長分布區(qū)間為440～460nm。金屬有機化學氣相沉積技術利用有機金屬材料作為反應物，采用熱分解反應進行氣相外延薄膜生長的技術，藍綠光LED以金屬有機物(MO源)和氨氣(NH3)為原料，硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)為摻雜物，以氫氣(或氮氣)作為載氣，攜帶MO源通入反應腔中，與氨氣在1000℃左右發(fā)生化學反應，生成三五族化合物半導體，在藍寶石或碳化硅上按一定的晶格次序沉積，獲得預先設計結構外延片。本發(fā)明還公開了一種垂直結構LED紫光外延的制備方法，分別以氨氣、高純三甲基銦(TMIn)、TMAl、TEGa、以及高純三甲基鎵(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，通入反應室與氨氣在900～1100℃發(fā)生化學反應，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，制成所述外延結構。包括如下步驟：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，襯底厚度為430～450μm；步驟2：將步驟1氮化后的藍寶石、SiC或Si襯底降溫至515～35℃、壓力為800torr，然后在襯底上生長厚度為15～35nm的基底，隨后升溫至1030～1050℃、壓力為400torr使基底重新結晶，再生長1.8～2.5μm的u-GaN修復層，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-GaN層，厚度為500～600nm，再生長重Si摻雜的n-GaN層，厚度為300～400nm；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：在所述重Si摻雜n-GaN層的基礎上生長n-AlGaN電流擴展層，厚度為80～240nm，原料為TMGa、SiH4、NH3和TMAl；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3～6.5sccm，所述TMAl的體積流量為100sccm；步驟5：在n-AlGaN層的基礎上生長Si摻雜的n+GaN層，厚度為2～4μm，隨后生長不摻Si的n-GaN層500～600nm，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6：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10～20個周期的InGaN/AlInGaN超晶格，再生長8個周期Al摻雜的InGaN/AlGaN；構成多量子阱層，所述多量子阱層厚度為250～300nm；具體為：先生長10-20個周期厚度為80～120nm的不摻雜Al的InGaN/GaN超晶格，具體為：先生長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30000sccm；再生長5～15nm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36000sccm；最后生長1.5～5nm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36000sccm；再生長8個周期厚度為100～150nm的Al摻雜的InGaN/AlGaN，具體為：先生長5～15nm的barrierInGaN層，原料為TEGa、TMIn、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TMIn的體積流量為570sccm，所述NH3的體積流量為36000sccm；再生長1.5～5nm的AlGaN阱層，原料為TEGa、TMAl和NH3，重復8個周期，所述TEGa的體積流量為450sccm，所述TMAl的體積流量為100sccm，所述NH3的體積流量為36000sccm；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36000sccm；步驟7：升溫至960～980℃，壓力為150torr生長PAlGaN層，厚度為1～200nm，原料為TMGa、TMAl、Cp2Mg和SiH4，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SiH4的體積流量為0.5sccm；降溫至920～940℃，壓力為150torr生長Mg摻雜的P+GaN層，厚度為0.1～0.2μm，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++GaN層，厚度為5-20nm，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8：生長CTL層，厚度為10～30nm，生長完畢后，降溫至710-730℃進行退火60-120min，之后隨爐冷卻。實施例1一種垂直結構LED紫光外延的制備方法，包括如下步驟：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，襯底厚度為430μm；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15nm的基底，隨后升溫至1030℃、壓力為400torr使基底重新結晶，再生長1.8μm的u-GaN修復層；步驟3：升溫至1070℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的n-GaN層，厚度為500nm，再生長重Si摻雜的n-GaN層，厚度為300nm；步驟4：在所述重Si摻雜n-GaN層的基礎上生長n-AlGaN電流擴展層，厚度為80nm；步驟5：在n-AlGaN層的基礎上生長Si摻雜的n+GaN層，厚度為2μm，隨后生長不摻Si的n-GaN層500nm；步驟6：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的不摻雜Al的InGaN/GaN超晶格，包括：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Al摻雜的InGaN/AlGaN，包括：先生長5nm的barrierInGaN層，再生長1.5nm的AlGaN阱層，最后生長30nm的GaN-cap層。步驟7：升溫至960℃，壓力為150torr生長PAlGaN層，厚度為1nm；降溫至920℃，壓力為150torr生長輕Mg摻雜的P+GaN層，厚度為0.1μm；生長重Mg摻雜的P++GaN層，厚度為5nm；步驟8：生長CTL層，厚度為10nm，生長完畢后，降溫至710℃進行退火60min，之后隨爐冷卻。實施例2一種垂直結構LED紫光外延的制備方法，包括如下步驟：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，襯底厚度為440μm；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25nm的基底，隨后升溫至1040℃、壓力為400torr使基底重新結晶，再生長2.1μm的u-GaN修復層；步驟3：升溫至1080℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的n-GaN層，厚度為550nm，再生長重Si摻雜的n-GaN層，厚度為350nm；步驟4：在所述重Si摻雜n-GaN層的基礎上生長n-AlGaN電流擴展層，厚度為160nm；步驟5：在n-AlGaN層的基礎上生長Si摻雜的n+GaN層，厚度為3μm，隨后生長不摻Si的n-GaN層550nm；步驟6：在阱的生長溫度750℃，壘的生長溫度為830℃、壓力為200torr下先生長15個周期厚度為100nm的不摻雜Al的InGaN/GaN超晶格，包括：先生長35nm的GaN-cap層，再生長10nm的barrierGaN層，最后生長3.5nm的InGaN阱層；再生長8個周期厚度為130nm的Al摻雜的InGaN/AlGaN，包括：先生長10nm的barrierInGaN層，再生長3.5nm的AlGaN阱層，最后生長35nm的GaN-cap層。步驟7：升溫至970℃，壓力為150torr生長PAlGaN層，厚度為100nm；降溫至930℃，壓力為150torr生長輕Mg摻雜的P+GaN層，厚度為0.15μm；生長重Mg摻雜的P++GaN層，厚度為10nm；步驟8：生長CTL層，厚度為20nm，生長完畢后，降溫至720℃進行退火90min，之后隨爐冷卻。實施例3一種垂直結構LED紫光外延的制備方法，包括如下步驟：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，襯底厚度為450μm；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35nm的基底，隨后升溫至1050℃、壓力為400torr使基底重新結晶，再生長2.5μm的u-GaN修復層；步驟3：升溫至1090℃、壓力為200torr先生長輕Si摻雜的n-GaN層，厚度為600nm，再生長重Si摻雜的n-GaN層，厚度為400nm；步驟4：在所述重Si摻雜n-GaN層的基礎上生長n-AlGaN電流擴展層，厚度為240nm；步驟5：在n-AlGaN層的基礎上生長Si摻雜的n+GaN層，厚度為4μm，隨后生長不摻Si的n-GaN層600nm；步驟6：在阱的生長溫度760℃，壘的生長溫度為840℃、壓力為200torr下先生長20個周期厚度為120nm的不摻雜Al的InGaN/GaN超晶格，包括：先生長40nm的GaN-cap層，再生長15nm的barrierGaN層，最后生長5nm的InGaN阱層；再生長8個周期厚度為150nm的Al摻雜的InGaN/AlGaN，包括：先生長15nm的barrierInGaN層，再生長5nm的AlGaN阱層，最后生長40nm的GaN-cap層。步驟7：升溫至980℃，壓力為150torr生長PAlGaN層，厚度為200nm；降溫至940℃，壓力為150torr生長輕Mg摻雜的P+GaN層，厚度為0.2μm；生長重Mg摻雜的P++GaN層，厚度為20nm；步驟8：生長CTL層，厚度為30nm，生長完畢后，降溫至730℃進行退火120min，之后隨爐冷卻。下表為垂直結構LED紫光外延結構技術指標測試項目項目約定指標實測數據測試條件波長360nm-410nm360nm-410nm10msec@20mA正向工作電壓/2.9-3.2V10msec@20mA波長分布半寬＜3.5nm≤2nm2mmx2mm間隔，PL測試儀本發(fā)明垂直結構LED紫光外延結構表面形貌：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。利用TEM檢測手段，可以獲取詳細外延片的外延層結構狀況以及納米級別的原子分布圖像。外延晶體質量是衡量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量。晶體質量對搖擺曲線的影響表現在半峰寬的寬化效應，兩者存在對應關系。從XRD測試結果計算獲得外延結構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。本發(fā)明垂直結構LED紫光外延結構材料載流子濃度：N型GaN摻雜原子為Si，P型GaN摻雜原子為Mg。為滿足垂直結構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原子越多，獲得的晶體質量越差，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，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)內先進水平。本發(fā)明垂直結構LED紫光外延結構波長均勻性控制：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，采用應力釋放技術對特殊結構調整生長速率以達到均勻生長的效果，同時對設備硬件、生產工藝進行控制，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。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。以上內容僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權利要求書的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3