一種LED外延片的製備方法與流程
2024-02-19 15:01:15
本發明涉及LED的製備方法，具體涉及一種LED外延片的製備方法。
背景技術：
近年來，被譽為「綠色照明」的發光二極體(Light Emitting Diode，LED)照明技術發展迅猛。與傳統照明光源相比，白光發光二極體不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環保，更具有調製性能好，響應靈敏度高等優點。白光發光二極體一方面具有發射功率高、對人眼安全等特點；另一方面，具有反應速度快、調製性好，無電磁幹擾、無需申請無線電頻譜等優點。
發光二極體核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子複合時會把多餘的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。
GaN基材料屬於直接帶隙半導體，並且其帶隙從1.8～6.2V連續可調，是生產高亮度藍光、綠光和白光LED的最常用材料。然而c方向生長的鋁銦鎵氮材料中存在很強的極化電場，該電場造成量子阱能帶傾斜，使電子和空穴在空間上分離，降低了複合發光效率。而且能帶傾斜產生的勢壘尖峰會阻擋空穴的輸運，加之空穴有效質量很大，使空穴在各個量子阱中分布極不均勻。
發光二極體是採用外延生長的方式生成的一種外延結構，該外延結構主要由襯底、提供電子的N型層、提供空穴的P型層以及複合區的有源層組成，主要應用於照明、交通信號燈、電視、手機等的背光源，背光源中的藍、綠、白光主要是採用金屬有機化學氣相沉積法將氮化鎵材料沉積到藍寶石襯底上形成的。
在傳統的氮化鎵基二極體外延片結構中，貫穿整個P～N結的位錯為造成二極體性能降低的主要因素之一，此類位錯會造成內量子效率降低、反向漏電、抗靜電擊穿能力較差。
電子阻擋層PAlGaN在LED外延中是不可以或缺的，主要作用是利用AlGaN的高能帶阻擋發光層的電子外溢至P層，但是也帶來很多不好之處。
技術實現要素：
本發明提供一種LED外延片的製備方法，該方法可以進一步減少發光面積損失，增加補充層提高量子阱的生長質量，提高反向電壓，降低器件內部漏電的同時，還利用In組分漸變的斜阱層，改變阱的禁帶寬度，以俘獲更多的電子和空穴，增大了電子與空穴的接觸面積，提高發光面積，降低電子的運行速度，增大與空穴的接觸的有效電子數，提高發光二極體的發光效率。
為了實現上述目的，本發明提供一種LED外延片的製備方法，該製備方法包括如下步驟：
(1)準備襯底
H2環境中高溫淨化襯底；在1000℃～1100℃的H2氣氛下，通入100L/min～130L/min的H2，保持反應腔壓力100mbar～300mbar，處理襯底8min～10min；
(2)採用金屬有機化合物化學氣相沉積法在襯底上形成外延片
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩衝層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層、功能層、發光層和P型GaN層；
優選的，在所述步驟(2)中，採用金屬有機化合物化學氣相沉積法，在550～580℃，保持反應腔壓力300mbar～600mbar，通入流量為10000sccm～20000sccm的NH3、50sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、在襯底上生長厚度為20nm～40nm的低溫緩衝層GaN。
優選的，在步驟(2)中，在低溫緩衝層GaN生長U型GaN層：
首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；
然後快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
優選的，在所述步驟(2)中，N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm～60000sccm的NH3、200sccm～400sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、20sccm～50sccm的SiH4，持續生長3μm～4μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E18atoms/cm3～1E19atoms/cm3；保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm～60000sccm的NH3、300sccm～400sccm的TMGa、110L/min～130L/min的H2、6sccm～10sccm的SiH4，持續生長300μm～400μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E17atoms/cm3～1E18atoms/cm3。
優選的，在步驟(2)中，採用金屬有機化合物化學氣相沉積法生長10～15個周期的壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層：
a.在N2或N2/H2混合氣氛、850～870℃條件下生長GaN壘層；
b.在N2或N2/H2混合氣氛、650～720℃條件下生長InGaN阱層；
c.補充層的生長：
阱層生長結束後，中斷金屬Ga源的通入，繼續通入金屬In源，中斷時間為10～25s，同時以1.0～1.5℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補充層；
d.斜阱層的生長：
再繼續通入金屬Ga源，同時以2.5～3℃/s的速度繼續升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
優選的，在所述步驟(2)中，所述功能層至少包括3個由下至上依次生長的循環層，所述循環層包括由下至上依次生長的摻矽元素的N型GaN層，摻矽元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入矽元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻矽元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
優選的，其中所述循環層中每一層的矽元素的摻雜濃度為1e17/cm3～1e19/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.02wt％～0.5wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.02wt％～0.05wt％。
優選的，上述功能層的生長溫度位於750℃～1000℃範圍內、壓力位於50torr～500torr範圍內、轉速位於為1000rpm～1500rpm範圍內、生長速率位於3μm/h～5μm/h範圍內。
優選的，在步驟(2)中，所述發光層為交替生長摻雜In的InxGa(1～x)N/GaN發光層，其生長工藝為：保持反應腔壓力400mbar～500mbar、溫度750℃～800℃，通入流量為60000sccm～80000sccm的NH3、20sccm～40sccm的TMGa、1500sccm～2000sccm的TMIn、100L/min～130L/min的N2，生長摻雜In的2.5nm～3.5nm的InxGa(1～x)N層，x＝0.26～0.28，發光波長450nm～455nm；接著升高溫度至750℃～850℃，保持反應腔壓力300mbar～400mbar，通入流量為50000sccm～70000sccm的NH3、20sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的N2，生長8nm～15nm的GaN層；重複InxGa(1～x)N的生長，然後重複GaN的生長，交替生長InxGa(1～x)N/GaN發光層，控制周期數為10～12個。
優選的，在步驟(2)中，採用如下方式生成P型GaN層：保持反應腔壓力400mbar～900mbar、溫度950℃～1000℃，通入流量為50000sccm～70000sccm的NH3、20sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、1000sccm～3000sccm的Cp2Mg，持續生長50nm～200nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
本發明具有如下優點：可以進一步減少發光面積損失，增加補充層提高量子阱的生長質量，提高反向電壓，降低器件內部漏電的同時，還利用In組分漸變的斜阱層，改變阱的禁帶寬度，以俘獲更多的電子和空穴，增大了電子與空穴的接觸面積，提高發光面積，降低電子的運行速度，增大與空穴的接觸的有效電子數，提高發光二極體的發光效率。
具體實施方式
實施例一
H2環境中高溫淨化襯底；在1000℃的H2氣氛下，通入100L/min的H2，保持反應腔壓力100mbar，處理襯底8min。
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩衝層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層、功能層、發光層和P型GaN層。
採用金屬有機化合物化學氣相沉積法，在550℃，保持反應腔壓力300mbar，通入流量為10000sccm的NH3、50sccm的TMGa、100L/min的H2、在襯底上生長厚度為20nm的低溫緩衝層GaN。
在低溫緩衝層GaN生長U型GaN層：首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；然後快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm的NH3、200sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、20sccm的SiH4，持續生長3μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E18atoms/cm3；保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm的NH3、300sccm的TMGa、110L/min的H2、6sccm的SiH4，持續生長300μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E17atoms/cm3。
採用金屬有機化合物化學氣相沉積法生長10個周期的壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層：在N2或N2/H2混合氣氛、850℃條件下生長GaN壘層；在N2或N2/H2混合氣氛、650℃條件下生長InGaN阱層；阱層生長結束後，中斷金屬Ga源的通入，繼續通入金屬In源，中斷時間為10s，同時以1.0℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補充層；再繼續通入金屬Ga源，同時以2.5/s的速度繼續升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
所述功能層至少包括3個由下至上依次生長的循環層，所述循環層包括由下至上依次生長的摻矽元素的N型GaN層，摻矽元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入矽元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻矽元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
其中所述循環層中每一層的矽元素的摻雜濃度為1e17/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.02wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.02wt％。
上述功能層的生長溫度位於750℃範圍內、壓力位於50torr範圍內、轉速位於為1000rpm範圍內、生長速率位於3μm/h範圍內。
所述發光層為交替生長摻雜In的In0.26Ga0.74N/GaN發光層，其生長工藝為：保持反應腔壓力400mbar、溫度750℃，通入流量為60000sccm的NH3、20sccm的TMGa、1500sccm的TMIn、100L/min的N2，生長摻雜In的2.5nm的In0.26Ga0.74N層，發光波長450nm；接著升高溫度至750℃，保持反應腔壓力300mbar，通入流量為50000sccm的NH3、20sccm的TMGa、100L/min的N2，生長8nm的GaN層；重複In0.26Ga0.74N的生長，然後重複GaN的生長，交替生長In0.26Ga0.74N/GaN發光層，控制周期數為10個。
採用如下方式生成P型GaN層：保持反應腔壓力400mbar～900mbar、溫度950℃，通入流量為50000sccm的NH3、20sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、1000sccm的Cp2Mg，持續生長50nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm3。
實施例二
H2環境中高溫淨化襯底；在1050℃的H2氣氛下，通入120L/min的H2，保持反應腔壓力200mbar，處理襯底9min。
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩衝層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層、功能層、發光層和P型GaN層。
採用金屬有機化合物化學氣相沉積法，在570℃，保持反應腔壓力450mbar，通入流量為15000sccm的NH3、75sccm的TMGa、120L/min的H2、在襯底上生長厚度為20nm～40nm的低溫緩衝層GaN。
在低溫緩衝層GaN生長U型GaN層：首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；然後快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為45000sccm的NH3、300sccm的TMGa、120L/min的H2、40sccm的SiH4，持續生長3.5μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度7.5E18atoms/cm3；保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為40000sccm的NH3、350sccm的TMGa、120L/min的H2、8sccm的SiH4，持續生長350μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度7.5E17atoms/cm3。
採用金屬有機化合物化學氣相沉積法生長12個周期的壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層：在N2或N2/H2混合氣氛、860℃條件下生長GaN壘層；在N2或N2/H2混合氣氛、700℃條件下生長InGaN阱層；阱層生長結束後，中斷金屬Ga源的通入，繼續通入金屬In源，中斷時間為15s，同時以1.3℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補充層；再繼續通入金屬Ga源，同時以2.7℃/s的速度繼續升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
所述功能層至少包括3個由下至上依次生長的循環層，所述循環層包括由下至上依次生長的摻矽元素的N型GaN層，摻矽元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入矽元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻矽元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
其中所述循環層中每一層的矽元素的摻雜濃度為1e18/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.4wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.03wt％。
上述功能層的生長溫度位於800℃範圍內、壓力位於200torr範圍內、轉速位於為1200rpm範圍內、生長速率位於4μm/h範圍內。
所述發光層為交替生長摻雜In的In0.27Ga0.73N/GaN發光層，其生長工藝為：保持反應腔壓力450mbar、溫度775℃，通入流量為70000sccm的NH3、30sccm的TMGa、1700sccm的TMIn、100L/min～130L/min的N2，生長摻雜In的3nm的In0.27Ga0.73N層，發光波長453nm；接著升高溫度至800℃，保持反應腔壓力360mbar，通入流量為60000sccm的NH3、70sccm的TMGa、12L/min的N2，生長10nm的GaN層；重複In0.27Ga0.73N的生長，然後重複GaN的生長，交替生長In0.27Ga0.73N/GaN發光層，控制周期數為11個。
採用如下方式生成P型GaN層：保持反應腔壓力600mbar、溫度975℃，通入流量為60000sccm的NH3、50sccm的TMGa、120L/min的H2、2000sccm的Cp2Mg，持續生長100nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
實施例三
H2環境中高溫淨化襯底；在1100℃的H2氣氛下，通入130L/min的H2，保持反應腔壓力300mbar，處理襯底10min。
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩衝層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層、功能層、發光層和P型GaN層。
採用金屬有機化合物化學氣相沉積法，在580℃，保持反應腔壓力600mbar，通入流量為20000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的H2、在襯底上生長厚度為40nm的低溫緩衝層GaN。
在低溫緩衝層GaN生長U型GaN層：首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；然後快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為60000sccm的NH3、400sccm的TMGa、130L/min的H2、50sccm的SiH4，持續生長4μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度1E19atoms/cm3；保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為60000sccm的NH3、400sccm的TMGa、130L/min的H2、6sccm～10sccm的SiH4，持續生長400μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度1E18atoms/cm3。
採用金屬有機化合物化學氣相沉積法生長10～15個周期的壘層/阱層/補充層/斜阱層結構的多量子阱層：在N2或N2/H2混合氣氛、870℃條件下生長GaN壘層；在N2或N2/H2混合氣氛、720℃條件下生長InGaN阱層；阱層生長結束後，中斷金屬Ga源的通入，繼續通入金屬In源，中斷時間為25s，同時以1.5℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補充層；再繼續通入金屬Ga源，同時以3℃/s的速度繼續升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
所述功能層至少包括3個由下至上依次生長的循環層，所述循環層包括由下至上依次生長的摻矽元素的N型GaN層，摻矽元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入矽元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻矽元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
其中所述循環層中每一層的矽元素的摻雜濃度為1e19/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.5wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.05wt％。
上述功能層的生長溫度位於1000℃範圍內、壓力位於500torr範圍內、轉速位於為1500rpm範圍內、生長速率位於5μm/h範圍內。
所述發光層為交替生長摻雜In的In0.28Ga 0.72N/GaN發光層，其生長工藝為：保持反應腔壓力500mbar、溫度800℃，通入流量為80000sccm的NH3、40sccm的TMGa、2000sccm的TMIn、130L/min的N2，生長摻雜In的2.5nm～3.5nm的In0.28Ga 0.72N層發光波長455nm；接著升高溫度至850℃，保持反應腔壓力300mbar～400mbar，通入流量為70000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的N2，生長15nm的GaN層；重複In0.28Ga 0.72N的生長，然後重複GaN的生長，交替生長In0.28Ga 0.72N/GaN發光層，控制周期數為12個。
採用如下方式生成P型GaN層：保持反應腔壓力900mbar、溫度1000℃，通入流量為70000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的H2、1000sccm～3000sccm的Cp2Mg，持續生長50nm～200nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E20atoms/cm3。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬於本發明的保護範圍。