本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種發(fā)光二極管外延片的生長方法。
背景技術(shù):
發(fā)光二極管(英文:Light Emitting Diode,簡稱:LED)是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。作為一種高效、環(huán)保、綠色的新型固態(tài)照明光源,LED被迅速廣泛地應(yīng)用于交通信號燈、汽車內(nèi)外燈、城市景觀照明、手機(jī)背光源等。
現(xiàn)有LED的外延片包括襯底、以及依次層疊在襯底上的低溫緩沖層、高溫緩沖層、N型層、多量子阱(英文:Multiple Quantum Well,簡稱:MQW)層、P型層。其中,MQW層包括交替層疊的量子阱層和量子壘層,各個量子阱層的生長條件相同,各個量子壘層的生長條件相同。
在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中,發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
MQW層的極化效應(yīng)會在量子阱層中產(chǎn)生電場,使能帶發(fā)生傾斜,改變子帶能級和束縛態(tài)波函數(shù),致使躍遷能量與強(qiáng)度發(fā)生改變。電場使得電子和空穴空間分離,減少了電子波函數(shù)與空穴波函數(shù)的重疊,降低了電子和空穴的輻射復(fù)合效率,大大降低了LED的發(fā)光效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的生長方法。所述技術(shù)方案如下:
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的生長方法,所述生長方法包括:
依次在襯底上生長低溫緩沖層、高溫緩沖層、N型層、MQW層、P型層,所述MQW層包括交替層疊的InGaN量子阱層和GaN量子壘層;
所述量子阱層分成第一類量子阱、第二類量子阱、第三類量子阱三種,所述第一類量子阱、所述第二類量子阱、所述第三類量子阱均包括至少兩層相鄰的所述量子阱層,所述第一類量子阱中的所述量子阱層的生長溫度沿所述發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層降低,所述第二類量子阱中的所述量子阱層的In含量沿所述發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層變化,所述第三類量子阱中的所述量子阱層的In含量和Ga含量的比值沿所述發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層減小,所有所述量子阱層沿所述發(fā)光二極管外延片的生長方向依次屬于所述第一類量子阱、所述第二類量子阱、所述第三類量子阱。
可選地,所述量子阱層的層數(shù)為至少12層,所述量子壘層的層數(shù)為至少12層。
優(yōu)選地,所述量子阱層的層數(shù)為12~16層,所述量子壘層的層數(shù)為12~16層。
可選地,所述量子壘層分成第一類量子壘和第二類量子壘,所述第一類量子壘和所述第二類量子壘層均包括至少一層所述量子壘層,所述第一類量子壘中的所述量子壘層的中間區(qū)域的生長溫度高于兩側(cè)區(qū)域的生長溫度,所述第一類量子壘中的所述量子壘層的中間區(qū)域的生長速率高于兩側(cè)區(qū)域的生長速率,所述第二類量子壘中的所述量子壘層的生長溫度保持不變,所述第二類量子壘中的所述量子壘層的生長速率保持不變,所有所述量子壘層中的部分所述量子壘層屬于所述第一類量子壘,剩下的所述量子壘層屬于所述第二類量子壘。
優(yōu)選地,所有所述量子壘層中至少一半的所述量子壘層屬于所述第一類量子壘。
優(yōu)選地,所述第一類量子壘中的所述量子壘層的兩側(cè)區(qū)域的生長溫度高于所述量子阱層的最高生長溫度。
優(yōu)選地,所述第一類量子壘中的所述量子壘層的兩側(cè)區(qū)域的生長速率高于所述量子阱層的最快生長速率。
可選地,所述P型層包括電子阻擋層和空穴提供層,所述電子阻擋層為摻雜Mg的AlyGa1-yN層,0.15≤y≤0.25,所述空穴提供層為摻雜高于設(shè)定濃度Mg的GaN層。
可選地,所述N型層為摻雜高于設(shè)定濃度Si的GaN層。
可選地,所述生長方法還包括:
對襯底進(jìn)行預(yù)處理。
本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:
通過在接近N型層段生長生長溫度沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層降低的量子阱層,使In分布由少到多,有利于InGaN和GaN的應(yīng)力釋放;在接近P型層段生長In含量和Ga含量的比值沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層減小的量子阱層,使In逐步減少,InGaN和GaN之間的應(yīng)力得到釋放;兩者都可以起到降低極化效應(yīng)的作用,進(jìn)而減小阱層的扭曲程度,提高電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)的重疊程度,有效提高電子和空穴在量子阱中的輻射復(fù)合效率。而且第一類量子壘中的量子壘層的中間區(qū)域的生長溫度高于兩側(cè)區(qū)域的生長溫度,即接近阱層的溫度低些,可以保護(hù)量子阱層,減少壘層高溫時(shí)對其In的析出,同時(shí)中間高溫的壘層既可以提高晶體質(zhì)量,也不會對阱層造成很大的破壞。第一類量子壘中的量子壘層的中間區(qū)域的生長速率高于兩側(cè)區(qū)域的生長速率,即接近阱層的生長速度低于高溫段壘層的生長速率,亦即高溫段的生長速率高,這樣可以減少高溫段對阱層的破壞,量子壘層和量子阱層的配合結(jié)構(gòu)最終提升了LED的發(fā)光效率。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案,下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管外延片的生長方法的流程圖;
圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的MQW層的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
實(shí)施例
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的生長方法,在本實(shí)施例中,采用Veeco K465i or C4金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(英文:Metal Organic Chemical Vapor Deposition,簡稱:MOCVD)設(shè)備實(shí)現(xiàn)LED外延片的生長方法。采用高純氫氣(H2)或高純氮?dú)?N2)或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣,高純NH3作為N源,三甲基鎵(TMGa)及三乙基鎵(TEGa)作為鎵源,三甲基銦(TMIn)作為銦源,硅烷(SiH4)作為N型摻雜劑,三甲基鋁(TMAl)作為鋁源,二茂鎂(CP2Mg)作為P型摻雜劑。反應(yīng)室壓力控制在100~600torr。
參見圖1,該生長方法包括:
步驟201:對襯底進(jìn)行預(yù)處理。
在本實(shí)施例中,襯底為藍(lán)寶石。
具體地,該步驟201可以包括:
在氫氣氣氛下,高溫處理襯底5~6min。
其中,反應(yīng)室溫度可以為1000~1100℃,反應(yīng)室壓力可以控制在200~500torr。
步驟202:在襯底上生長低溫緩沖層。
在本實(shí)施例中,低溫緩沖層為GaN層,厚度可以為15~30nm。生長低溫緩沖層時(shí),反應(yīng)室溫度可以為530~560℃,反應(yīng)室壓力可以控制在200~500torr。
具體地,低溫緩沖層生長在藍(lán)寶石的[0001]面上。
步驟203:在低溫緩沖層上生長高溫緩沖層。
在本實(shí)施例中,高溫緩沖層為不摻雜的GaN層,厚度可以為2~3.5μm。生長高溫緩沖層時(shí),反應(yīng)室溫度可以為1000~1100℃,反應(yīng)室壓力可以控制在200~600torr。
步驟204:在高溫緩沖層上生長N型層。
在本實(shí)施例中,N型層為摻雜高于設(shè)定濃度Si的GaN層,厚度可以為1~2μm。生長N型層時(shí),反應(yīng)室溫度可以為1000~1100℃,反應(yīng)室壓力可以控制在200~600torr。
步驟205:在N型層上生長MQW層。
在本實(shí)施例中,參見圖2,MQW層50包括交替層疊的InGaN量子阱層510和GaN量子壘層520。
量子阱層510分成第一類量子阱511、第二類量子阱512、第三類量子阱513三種,第一類量子阱511、第二類量子阱512、第三類量子阱513均包括至少兩層相鄰的量子阱層510,第一類量子阱511中的量子阱層510的生長溫度沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層降低,第二類量子阱512中的量子阱層510的In含量沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層變化,第三類量子阱513中的量子阱層510的In含量和Ga含量的比值沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層減小,所有量子阱層510沿發(fā)光二極管外延片的生長方向依次屬于第一類量子阱511、第二類量子阱512、第三類量子阱513。
需要說明的是,第一類量子阱中的量子阱層的生長溫度沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層降低,使第一類量子阱中的量子阱層的In分布由少到多,有利于InGaN和GaN的應(yīng)力釋放,可以有效減小應(yīng)力以降低缺陷密度,為后面接近P型層的主要發(fā)光阱做準(zhǔn)備;第二類量子阱中的量子阱層的In含量沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層變化,形成局域態(tài)的發(fā)光量子點(diǎn),可在一定程度上提高電子和空穴的復(fù)合幾率;第三類量子阱中的量子阱層的In含量和Ga含量的比值沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層減小,使第三類量子阱中的量子阱層的In含量逐步降低,可以防止In的擴(kuò)散引起對晶體質(zhì)量的破壞。
進(jìn)一步地,量子壘層520可以分成第一類量子壘521和第二類量子壘522,第一類量子壘521和第二類量子壘522均包括至少一層量子壘層520,第一類量子壘521中的量子壘層520的中間區(qū)域的生長溫度高于兩側(cè)區(qū)域的生長溫度,第一類量子壘521中的量子壘層520的中間區(qū)域的生長速率高于兩側(cè)區(qū)域的生長速率,第二類量子壘522中的量子壘層520的生長溫度保持不變,第二類量子壘522中的量子壘層520的生長速率保持不變,所有量子壘層520中的部分量子壘層520屬于第一類量子壘521,剩下的量子壘層520屬于第二類量子壘522。
可選地,所有量子壘層520中至少一半的量子壘層520可以屬于第一類量子壘521。這對整個MQW的晶體質(zhì)量有很大的提高,考慮到生長的復(fù)雜性,所以并沒有使所有量子壘層均屬于第一類量子壘。
可選地,第一類量子壘521中的量子壘層520的兩側(cè)區(qū)域的生長溫度可以高于量子阱層510的最高生長溫度。加上第一類量子壘521中的量子壘層520的中間區(qū)域的生長溫度高于兩側(cè)區(qū)域的生長溫度,既可以保證晶體質(zhì)量也不會對阱造成較大的破壞。若采用恒溫生長,在和阱溫相差不大時(shí),對阱的破壞會非常小,但會大大降低整個量子阱的整體質(zhì)量;在和阱溫的溫度相差較大時(shí),會大大提高量子阱的晶體質(zhì)量,但也會對阱的破壞非常嚴(yán)重,最終都會造成發(fā)光效率的降低。
可選地,第一類量子壘521中的量子壘層520的兩側(cè)區(qū)域的生長速率可以高于量子阱層510的最快生長速率。加上第一類量子壘521中的量子壘層520的中間區(qū)域的生長速率高于兩側(cè)區(qū)域的生長速率,既不會明顯破壞到阱,也能保證晶體質(zhì)量不變差,同時(shí)還能配合第一類量子壘521中的量子壘層520的中間區(qū)域的生長溫度高于兩側(cè)區(qū)域的生長溫度,高溫段畢竟是對阱有一定破壞的,所以生長速率要快,以減少高溫段的生長時(shí)間。
可選地,量子阱層510的層數(shù)可以為至少12層,量子壘層520的層數(shù)可以為至少12層。若少于12層,由于量子阱層510分成第一類量子阱511、第二類量子阱512、第三類量子阱513三種,第一類量子阱511、第二類量子阱512、第三類量子阱513均包括至少兩層相鄰的量子阱層510,量子阱層結(jié)構(gòu)的效果較差。
優(yōu)選地,量子阱層510的層數(shù)可以為12~16層,量子壘層520的層數(shù)可以為12~16層。若多于16層,一方面會增加較多成本,另一方面也會增大阱的極化效應(yīng),影響電子和空穴的復(fù)合發(fā)光效率。層數(shù)在12~16層較優(yōu),既可以發(fā)揮量子阱層結(jié)構(gòu)帶來的有益效果,也不會增加較多成本和增大極化效應(yīng)。
步驟206:在MQW層上生長P型層。
在本實(shí)施例中,P型層包括電子阻擋層和空穴提供層。電子阻擋層為摻雜Mg的AlyGa1-yN層,0.15≤y≤0.25,厚度可以為30~50nm。生長電子阻擋層時(shí),反應(yīng)室溫度可以為930~970℃,反應(yīng)室壓力可以控制在100torr??昭ㄌ峁訛閾诫s高于設(shè)定濃度Mg的GaN層,厚度可以為50~80nm。生長空穴提供層時(shí),反應(yīng)室溫度可以為940~980℃,反應(yīng)室壓力可以控制在200~600torr。
步驟207:活化P型層。
具體地,活化時(shí)間可以為30min。其中,反應(yīng)室溫度可以為650~750℃。
需要說明的是,活化P型層主要是活化空穴提供層中摻雜的Mg,使Mg活化后產(chǎn)生更多的空穴,避免由于不活化而導(dǎo)致歐姆接觸差,引起芯片亮度低和電壓高的情況。
下面分別對第一樣品和第二樣品在相同的工藝條件下鍍110nm的氧化銦錫金屬氧化物(英文:Indium Tin Oxides,簡稱:ITO)層,120nm的Cr/Pt/Au電極和40nm的SiO2保護(hù)層,并分別將處理后的第一樣品和第二樣品研磨切割成305μm*635μm(12mi*25mil)的芯粒和229μm*559μm(9mi*22mil)的芯粒。其中,第一樣品是采用傳統(tǒng)的發(fā)光二極管外延片的生長方法得到的,第二樣品是采用本實(shí)施例提供的發(fā)光二極管外延片的生長方法得到的。
接著在處理后的第一樣品和第二樣品的相同位置各自挑選200顆晶粒,在相同的工藝條件下,封裝成白光LED。采用積分球分別在驅(qū)動電流120mA和60mA條件下測試來自于第一樣品的晶粒和來自于第二樣品的晶粒的光電性能。
結(jié)果顯示,來自于第二樣品的晶粒與比來自于第一樣品的晶粒相比,光強(qiáng)分別在120mA和60mA驅(qū)動電流下有明顯提高,說明本實(shí)施例提供的生長方法確實(shí)可以提高電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)的重疊程度和有效減少非輻射復(fù)合中心的形成而最終提高了發(fā)光效率。
本發(fā)明實(shí)施例通過在接近N型層段生長生長溫度沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層降低的量子阱層,使In分布由少到多,有利于InGaN和GaN的應(yīng)力釋放;在接近P型層段生長In含量和Ga含量的比值沿發(fā)光二極管外延片的生長方向逐層減小的量子阱層,使In逐步減少,InGaN和GaN之間的應(yīng)力得到釋放;兩者都可以起到降低極化效應(yīng)的作用,進(jìn)而減小阱層的扭曲程度,提高電子波函數(shù)和空穴波函數(shù)的重疊程度,有效提高電子和空穴在量子阱中的輻射復(fù)合效率。而且第一類量子壘中的量子壘層的中間區(qū)域的生長溫度高于兩側(cè)區(qū)域的生長溫度,即接近阱層的溫度低些,可以保護(hù)量子阱層,減少壘層高溫時(shí)對其In的析出,同時(shí)中間高溫的壘層既可以提高晶體質(zhì)量,也不會對阱層造成很大的破壞。第一類量子壘中的量子壘層的中間區(qū)域的生長速率高于兩側(cè)區(qū)域的生長速率,即接近阱層的生長速度低于高溫段壘層的生長速率,亦即高溫段的生長速率高,這樣可以減少高溫段對阱層的破壞,量子壘層和量子阱層的配合結(jié)構(gòu)最終提升了LED的發(fā)光效率。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。