一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法
2023-10-07 07:07:14
一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法
【專利摘要】本發明公開一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，包括以下步驟：在襯底上依次生長緩衝層、非故意摻雜層、第一N型摻雜層、第二N型摻雜層、InGaN/GaN多量子阱有源層、電子阻擋層、P型摻雜層及接觸層；生長完第一N型摻雜層之後，關閉有機源，減小或者停止NH3通入反應室，在H2或者N2氛圍下停頓生長10-200s，獲得表面粗糙的第一N型摻雜層。本發明可以同時提高LED內量子效率與外量子效率，且製備方法簡單，製備成本較低。
【專利說明】一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及GaN基LED外延片製備【技術領域】，尤其是指一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法。
【背景技術】
[0002]GaN基LED具有體積小、壽命長、功耗低、亮度高及易集成化等優點，已進入通用照明領域，隨著GaN基LED在照明領域的廣泛應用，對其發光效率的要求越來越高。因此，提升GaN基LED的亮度成為亟需解決的關鍵問題。
[0003]現有技術中，提升GaN基LED的亮度主要在於內量子效率的提高和外量子效率的提高，包括外延結構的優化，晶體質量的提升，圖形襯底的加工、粗化，晶片結構的優化等。
[0004]由於GaN材料折射率與空氣折射率差異較大，發光區發出的光不容易出射，使得外量子效率低下。粗化技術和圖形襯底常被用作GaN基LED外量子效率提升的手段。目前的粗化工藝和圖形襯底大部分利用幹法或者溼法腐蝕，需要經過特殊加工，工藝複雜，且成本聞。
[0005]GaN基LED薄膜沿極性c方向生長，所述c平面的量子阱結構因存在強壓電和自發極化而產生量子限制的史塔克效應(QCSE)。沿c方向的強內建電場引起電子和空穴在空間上的分離，降低了輻射複合率。
[0006]為了減緩或者消除所述極化效應的不利影響，可以選擇半極性面或非極性面的GaN模板，利用橫向外延技術來生長InGaN/GaN多量子阱結構。半極性面或非極性面GaN模板的製備和橫向外延生長技術增加了工藝的複雜度。
[0007]綜上所述，現有技術中，製備低成本、高發光效率的GaN基LED外延片仍然存在較多技術困難。
[0008]在MOCVD反應室中，GaN的外延生長也時刻伴隨著GaN分解的過程，而這種分解過程，主要受溫度、壓強和氣體的流速影響，為了儘量減緩GaN的分解，在整個外延生長過程中，均有NH3通入反應室。我們利用GaN的這種分解現象，通過外延工藝條件的調整，可以獲得粗糙度可控的GaN外延層表面。
[0009]通過利用GaN的分解現象，獲得表面適當粗糙的N型摻雜層，經過工藝條件的優化，可同時提升LED的內量子效率和外量子效率，本案由此產生。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在於提供一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，以同時提高LED內量子效率與外量子效率，且製備方法簡單，製備成本較低。
[0011]為達成上述目的，本發明的解決方案為:
一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，包括以下步驟:在襯底上依次生長緩衝層、非故意摻雜層、第一 N型摻雜層、第二 N型摻雜層、InGaN/GaN多量子阱有源層、電子阻擋層、P型摻雜層及接觸層；生長完第一 N型摻雜層之後，關閉有機源，減小或者停止NH3通入反應室，在H2或者N2氛圍下停頓生長10-200S，獲得表面粗糙的第一 N型摻雜層。
[0012]進一步，停頓生長時，反應室的溫度為800_1250°C，壓強為100-600mbar。
[0013]進一步，減小或者停止NH3通入反應室的方式為階梯式改變NH3通入量、漸變式改變NH3通入量、脈衝式關閉NH3通入反應室中的一種或者組合。
[0014]進一步，第一 N型摻雜層為GaN材料；第一 N型摻雜層生長溫度為950_1150°C，壓強為100-600mbar，V /III之比為500-5000，生長厚度為1-4 μ m，N型摻雜濃度為
IX 118-1 X 1019。
[0015]進一步，第一 N型摻雜層的表面粗糙度為5-50 nm，粗化的平均高度為20_200nm。表面粗糙程度的控制尤為重要，粗糙程度太小，對LED光效的提升不明顯，粗糙程度太大，使後續的外延生長困難，外延片表面不平整，反而不利於光效的提升。
[0016]進一步，第二 N型摻雜層為InxGahN材料，其中X取0-0.2中的任何一個數值?』第二N型摻雜層生長溫度為800-1150°C，壓強為100-600mbar，V / III之比為500-10000，生長厚度為10-200nm，N型摻雜濃度為I X 118-1 X 1190
[0017]進一步，緩衝層和非故意摻雜層的材料均為GaN，生長壓強為100-600mbar，V /III之比為500-5000 ;其中，緩衝層的生長溫度為500-700°C，厚度為10_50nm，非故意摻雜層的生長溫度為950-1150°C，厚度為1-3 μ m。
[0018]進一步，InGaN/GaN多量子阱有源層中，GaN壘層的生長溫度為750_900°C，生長壓強為100-600mbar，V / III為3000-50000，生長厚度為8_15nm ；InGaN阱層的生長溫度為650-800°C，生長壓強為 100-600mbar，V / III為 3000-50000，生長厚度為 2_5nm，In 組分為
0.15-0.25。
[0019]進一步，電子阻擋層的材料為AlGaN，其中Al組分為0.1-0.3，生長溫度為9500C -1150°C，壓強為 100-600mbar，V / III為 1000-30000，生長厚度為 15_50nm，進行 P 型
Mg摻雜，摻雜濃度在I X 1017-5 X 1180
[0020]進一步，P型摻雜層的材料為GaN，生長溫度為950-1150°C，壓強為100_600mbar，V /III之比為1000-30000，生長厚度為100-300nm,摻雜濃度為I X 1017_5X 118 ;接觸層的材料為P型摻雜的InGaN/GaN超晶格層，摻雜濃度為I X 1018_5X 1019、，生長溫度為600-900°C，壓強為 100-600mbar，V /III之比為 3000-50000，InGaN 的 In 組分為 0.02-0.12，厚度為l-3nm, GaN的厚度為l_3nm。
[0021]採用上述方案後，本發明在生長完第一 N型摻雜層之後，關閉有機源，減小或者停止NH3通入反應室，在H2或者N2氛圍下停頓生長10-200S，獲得表面適當粗糙的第一 N型摻雜層。在表面粗糙的第一 N型摻雜層上生長的外延結構，不但有源區發光面積大，而且有源區存在較多半極性面，降低了壓電效應的影響，提高了輻射複合率，並且粗糙的第一 N型摻雜層表面，可改變外延層內部光路，更利於光的出射，提高出光率。
[0022]在生長完第一 N型摻雜層之後，無需取出外延片進行加工，直接通過外延工藝粗化，方法簡單，不用增加生產成本，可顯著提升LED光功率。與現有技術相比，其具有以下有益效果:
一，經過粗化的第一 N型摻雜層表面，使得之後生長的多量子阱有源區發光面積增大，可大幅度提聞發光売度。
[0023]二，經過該外延工藝粗化的第一 N型摻雜層表面，露出較多半極性面，在該半極性面上生長的InGaN/GaN多量子阱，減小了壓電效應的影響，提升了輻射複合效率，減小了量子限制史塔克效應的影響，波長的穩定性更好。
[0024]三，粗化的第一 N型摻雜層表面，可改變外延層內部的光路，提升光的出射機率，進而提高LED外量子效率。
[0025]同時，所述製備方法無需通過刻蝕等附加工藝，方法簡單，不用增加生產成本，並且通過所述方法生長的GaN基LED，內量子效率與外量子效率均得到提高，發光效率相比常規外延生長方法提升20%以上，波長穩定性更好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明經粗化後第一 N型摻雜層表面的形貌圖；
圖2為本發明所用MOCVD設備原位監測得到部分實時外延層反射曲線圖；
圖3為本發明形成的LED外延結構示意圖；
圖4為本發明實施例一外延中斷生長時NH3的流量示意圖；
圖5為本發明實施例二外延中斷生長時NH3的流量示意圖；
圖6為本發明實施例三外延中斷生長時NH3的流量示意圖；
圖7為本發明實施例四外延中斷生長時NH3的流量示意圖。
【具體實施方式】
[0027]以下結合附圖及具體實施例對本發明做詳細描述。
[0028]實施例一
利用MOCVD設備生長GaN基LED，採用2英寸C面免清洗的藍寶石襯底，外延步驟主要包括:
1、將反應室溫度升高到1200°C，反應室壓強為lOOmbar，在4氛圍下烘焙藍寶石襯底300so
[0029]2、降低反應室溫度到560°C，通入NH3，氮化襯底120s。
[0030]3、調整反應室壓強為600 mbar，通入Ga源和NH3, V / III之比為1200，在560°C下生長25nm GaN緩衝層。
[0031]4、升高反應室溫度到1100°C，調整反應室壓強為250mbar，通入Ga源和NH3, V /III之比為1500，生長2000nm非故意摻雜GaN層。
[0032]5、通入Ga源，NH3和矽烷，V / III之比為1500，生長2500nm N型摻雜GaN層，N型摻雜濃度為I X 118-1 X 1019。
[0033]6、保持反應室溫度和壓強不變,關閉Ga源,調整NH3流量,如圖4所示,具體為:在0-25s將NH3流量漸變到0，25-50s關閉NH3, 50_75s的時間內再將NH3流量漸變調整為原來數值。
[0034]7、保持反應室溫度和壓強不變，通入Ga源，NH3和矽烷，V / III之比為1500，生長10nm N型摻雜GaN層，N型摻雜濃度為I X 118-1 X 1190
[0035]8、將主載氣切換為N2，調整反應室壓強為400 mbar，生長6個周期的InGaN/GaN多量子阱有源層。其中GaN壘層的生長溫度為850°C，生長厚度為12 nm, V/III之比為15000，InGaN阱層的生長溫度為730°C，生長厚度為3 nm, V /III之比為20000。
[0036]9、切換主載氣為H2，升高反應室溫度到1050°C，調整反應室壓強到250mbar，通入Ga源，Al源，NH3和Cp2Mg (二茂鎂)，V / III之比為8000，生長25nm P型摻雜AlGaN電子阻擋層，Al組分為0.15-0.25，P型摻雜濃度為5X1017-5X1018。
[0037]10、保持反應室溫度和壓強不變，關閉Al源，通入Ga源，NH3和Cp2Mg, V /III之比為13000，生長200nm P型摻雜GaN層，P型摻雜濃度為5 X 1017-5 X 1180
[0038]11、切換主載氣為N2，調整反應室壓強為400mbar，溫度為780°C，生長4個周期的P型摻雜的InGaN/GaN超晶格接觸層，摻雜濃度為IX 1018-5X 1019。其中InGaN層的厚度為Inm, V / III之比為20000，GaN層的厚度為Inm, V / III之比為20000。
[0039]12、調整反應室溫度為800°C，在純N2氛圍下退火600s，降低反應室溫度至室溫，結束外延生長。
[0040]所述GaN基LED外延片製備方法，經粗化後第一 N型摻雜層表面的形貌如圖1所示，該第一 N型摻雜層表面的形貌圖經原子力顯微鏡測得。圖2為本發明MOCVD設備原位監測所得外延層反射曲線圖，反射曲線的強度，一定程度上反應了外延層的平滑程度，反射曲線強度越小，表面外延層表面越粗糙，圖中可發現在中斷生長過程中，反射曲線強度下降，表明其表面變粗糙。圖3為本發明形成的LED外延結構示意圖，底層為襯底10，襯底10之上為N型層20，N型層20之上為多量子阱有源層30，在多量子阱有源層30上形成半極性面301，多量子阱有源層30為P型層40。
[0041]實施例二
本實施例與實施例一不同在於:本實施例在中斷生長過程中，調整NH3流量的方法，如圖5所示，具體為:在0-15s內保持NH3正常流量通入反應室，在15-65s內，關閉NH3,在65-80s內，再次打開NH3,保持NH3正常流量通入反應室。
[0042]實施例三
本實施例與實施例一不同在於:本實施例在中斷生長過程中，調整NH3流量採用脈衝式，如圖6所示，具體為:脈衝開啟NH3和關閉NH3的時間分別為5s和15s，共重複4個周期。
[0043]實施例四
本實施例與實施例一不同在於:本實施例在中斷生長過程中，調整MV流量的方法採用階梯式，如圖7所示，具體為:在0-5s時間內，保持NH3E常通入反應室，在5-10s時間段內，將NH3流量漸變到第二 NH3流量，在10-15s時間段內保持第二 NH3流量通入反應室，在
15-20s時間段內將第二 NH3流量漸變到0，在20-40s時間段內保持NH3流量為0，在40_45s時間段內，再次將NH3流量漸變到第二 NH3流量，在45-50s時間段內保持第二 NH3流量通入反應室，在50-55s時間段內將第二 NH3流量漸變到正常NH3，在55-60s時間內，保持NH3正常通入反應室。其中第二 NH3流量可為正常NH3流量的20% — 80%。
[0044]以上實施例一至實施例四中，根據對N型摻雜GaN表面粗糙度的要求，中斷生長的總時間在10-200s，其中，NH3關閉時間控制在10-80s。中斷生長的總時間和關閉NH3的時間不宜太長，否則GaN表面過於粗糙，外延晶體質量下降，將使得後續外延生長困難，導致最終ρ-GaN表面不平整，不利於光效的提升。
[0045]以上所述僅為本發明的優選實施例，並非對本案設計的限制，凡依本案的設計關鍵所做的等同變化，均落入本案的保護範圍。
【權利要求】
1.一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，包括以下步驟:在襯底上依次生長緩衝層、非故意摻雜層、第一 N型摻雜層、第二 N型摻雜層、InGaN/GaN多量子阱有源層、電子阻擋層、P型摻雜層及接觸層；生長完第一 N型摻雜層之後，關閉有機源，減小或者停止NH3通入反應室，在H2或者N2氛圍下停頓生長10-200S，獲得表面粗糙的第一 N型摻雜層。
2.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，停頓生長時，反應室的溫度為800-1250°C，壓強為100-600mbar。
3.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，減小或者停止NH3通入反應室的方式為階梯式改變NH3通入量、漸變式改變NH3通入量、脈衝式關閉NH3通入反應室中的一種或者組合。
4.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，第一N型摻雜層為GaN材料；第一N型摻雜層生長溫度為950-1150°C，壓強為100-600mbar，V /III之比為500-5000，生長厚度為1-4 μ m，N型摻雜濃度為I X 118-1 X 1190
5.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，第一 N型摻雜層的表面粗糙度為5-50 nm，粗化的平均高度為20_200nm。
6.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，第二 N型摻雜層為InxGahN材料，其中X取0-0.2中的任何一個數值；第二 N型摻雜層生長溫度為 800-1150°C，壓強為 100-600mbar，V /III之比為 500-10000，生長厚度為 10_200nm，N型摻雜濃度為I X 118-1 X 1190
7.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，緩衝層和非故意摻雜層的材料均為GaN，生長壓強為100-600mbar，V /III之比為500-5000 ;其中，緩衝層的生長溫度為500-700°C，厚度為10_50nm，非故意摻雜層的生長溫度為 950-1150°C，厚度為 1-3 μ m。
8.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，InGaN/GaN多量子阱有源層中，GaN壘層的生長溫度為750-900°C，生長壓強為100-600mbar，V / III為3000-50000，生長厚度為8_15nm ;InGaN阱層的生長溫度為650-800°C，生長壓強為 100-600mbar，V / III為 3000-50000，生長厚度為 2_5nm，In 組分為0.15-0.25。
9.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，電子阻擋層的材料為AlGaN，其中Al組分為0.1-0.3，生長溫度為950°C _1150°C，壓強為100-600mbar，V / III為1000-30000，生長厚度為15_50nm，進行P型Mg摻雜，摻雜濃度在1X1017-5X1018。
10.如權利要求1所述的一種提高發光效率的GaN基LED外延片製備方法，其特徵在於，P型摻雜層的材料為GaN，生長溫度為950-1150°C，壓強為100_600mbar，V /III之比為1000-30000，生長厚度為100-300nm，摻雜濃度為I X 1017_5 X 118 ;接觸層的材料為P型摻雜的InGaN/GaN超晶格層，摻雜濃度為I X 1018_5 X 1019、，生長溫度為600-900°C，壓強為100-600mbar, V / III之比為 3000-50000，InGaN 的 In 組分為 0.02-0.12，厚度為 l_3nm，GaN的厚度為l_3nm。
【文檔編號】H01L33/32GK104393136SQ201410599879
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】卓祥景, 林志偉, 陳凱軒, 蔡建九, 張永, 姜偉, 林志園, 堯剛 申請人:廈門乾照光電股份有限公司