一種GaN基發光二極體外延片的生長方法與流程

2023-05-26 19:29:21 1

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種GaN基發光二極體外延片的生長方法。

背景技術：

發光二極體(Light Emitting Diodes，簡稱LED)具有體積小、顏色豐富多彩、能耗低、使用壽命長的特點，廣泛應用於照明、顯示屏、信號燈、背光源、玩具等眾多領域，是信息光電子新興產業中極具影響力的新產品。其中，GaN基LED已成為半導體研究的熱點和方向。

GaN基LED通常採用藍寶石襯底，藍寶石與GaN之間存在較大的晶格失配，導致GaN外延層內產生高密度的缺陷，抗靜電能力較差，靜電放電會造成LED突發性失效或潛在性失效。

技術實現要素：

為了解決現有技術的問題，本發明實施例提供了一種GaN基發光二極體外延片的生長方法。所述技術方案如下：

一方面，本發明實施例提供了一種GaN基發光二極體外延片的生長方法，所述生長方法包括：

在襯底上生長低溫緩衝層；

將生長溫度以不超過設定速率的速率升高至設定溫度；

將生長壓力升高至第一設定壓力，並在第一設定時間段內保持為所述第一設定壓力生長第一GaN層；

將生長壓力降低至第二設定壓力，並在第二設定時間段內保持為所述第二設定壓力生長第二GaN層，所述第二GaN層和所述第一GaN層組成過渡層；

在所述過渡層上生長N型GaN層；

在所述N型GaN層上生長應力釋放層；

在所述應力釋放層上生長有源層；

在所述有源層上生長P型電子阻擋層；

在所述P型電子阻擋層上生長P型GaN層。

可選地，所述第一設定時間段和所述第二時間段的比值為2:1～12:1。

可選地，所述設定溫度為1230～1330℃。

可選地，所述過渡層為沒有摻雜的GaN層，或者所述過渡層為摻雜Si的GaN層，所述過渡層中Si的摻雜濃度為1018～5*1018cm-3。

可選地，所述過渡層為沒有摻雜的GaN層，或者所述過渡層由沒有摻雜的GaN層和摻雜Al的GaN層交替層疊而成。

另一方面，本發明實施例提供了一種GaN基發光二極體外延片的生長方法，所述生長方法包括：

在襯底上生長低溫緩衝層；

將生長溫度以不超過設定速率的速率升高至設定溫度；

將生長壓力升高至第一設定壓力，並在第一設定時間段內保持為所述第一設定壓力生長第一GaN層；

將生長壓力降低至第二設定壓力，並在第二設定時間段內保持為所述第二設定壓力生長第二GaN層；

將生長壓力升高至第三設定壓力，並在第三時間段內保持為所述第三設定壓力生長第三GaN層，所述第三GaN層、所述第二GaN層、以及所述第一GaN層組成過渡層；

在所述過渡層上生長N型GaN層；

在所述N型GaN層上生長應力釋放層；

在所述應力釋放層上生長有源層；

在所述有源層上生長P型電子阻擋層；

在所述P型電子阻擋層上生長P型GaN層。

可選地，所述第一設定時間段、所述第二時間段、以及所述第三時間段的比值為2:1:1～8:1:4。

可選地，所述設定溫度為1230～1330℃。

可選地，所述過渡層為沒有摻雜的GaN層，或者所述過渡層為摻雜Si的GaN層，所述過渡層中Si的摻雜濃度為1018～5*1018cm-3。

可選地，所述過渡層為沒有摻雜的GaN層，或者所述過渡層由沒有摻雜的GaN層和摻雜Al的GaN層交替層疊而成。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

通過先將生長壓力升高至第一設定壓力並在第一設定壓力下生長第一GaN層，再將生長壓力降低至第二設定壓力並在第二設定壓力下生長第二GaN層，第一GaN層在高壓的條件下生長，生長速度緩慢，GaN三維成長時間拉長，三維島狀晶體面積增大，相鄰三維島狀晶體相接甚至合併，缺陷密度降低，抗靜電能力提高，同時位錯出現的機率減少，減小外延片的翹曲度，特別適用於大尺寸的襯底；第二GaN層在低壓的條件下生長，此時三維島狀晶體合併轉為二維生長，低壓生長可以有效降低外延生長過程中的碳雜質汙染，提高發光效率和晶片的光學性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實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明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例一提供的一種GaN基發光二極體外延片的生長方法的流程示意圖；

圖2是本發明實施例一提供的外延片的結構示意圖；

圖3是本發明實施例二提供的生長壓力的變化示意圖；

圖4是本發明實施例二提供的抗靜電能力的對比示意圖；

圖5是本發明實施例二提供的發光效率的對比示意圖；

圖6是本發明實施例三提供的一種GaN基發光二極體外延片的生長方法的流程示意圖；

圖7是本發明實施例四提供的生長壓力的變化示意圖；

圖8是本發明實施例四提供的抗靜電能力的對比示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例一

本發明實施例提供了一種GaN基發光二極體外延片的生長方法，在實施例中，採用金屬有機化合物化學氣相沉澱(英文：Metal organic Chemical Vapor Deposition，簡稱：MOCVD)技術生長外延片，採用三甲基鎵或者三乙基鎵作為鎵源，高純氨氣(NH3)作為氮源，三甲基銦作為銦源，三甲基鋁作為鋁源，採用矽烷作為N型摻雜劑，採用二茂鎂作為P型摻雜劑。參見圖1，該生長方法包括：

步驟100：對襯底進行低壓高溫預處理，以清潔襯底。

可選地，襯底可以為尺寸大於2英寸的大尺寸襯底，如4英寸襯底。

具體地，襯底可以為藍寶石襯底。

步驟101：升高生長壓力在襯底上生長低溫緩衝層。

具體地，低溫緩衝層可以為GaN層。

步驟102：將生長溫度以不超過設定速率的速率升高至設定溫度。

可選地，設定溫度可以為1230～1330℃。

具體地，該步驟102可以包括：

對生長溫度進行多個階段的升溫，同一階段的溫度恆定，且不同階段的溫度隨時間的增長而升高。

例如，先升溫到500℃，再升溫到800℃並穩定30s，再升溫到1000℃並穩定30s，再升溫到1230℃並穩定10min。

步驟103：將生長壓力升高至第一設定壓力，並在第一設定時間段內保持為第一設定壓力生長第一GaN層。

步驟104：將生長壓力降低至第二設定壓力，並在第二設定時間段內保持為第二設定壓力生長第二GaN層，第二GaN層和第一GaN層組成過渡層。

可選地，第一設定時間段和第二時間段的比值可以為2:1～12:1。

可選地，過渡層可以為沒有摻雜的GaN層。

在本實施例的另一種實現方式中，過渡層可以為摻雜Si的GaN層，過渡層中Si的摻雜濃度為1018～5*1018cm-3，如2*1018cm-3。通過在過渡層中進行少量的Si摻雜，可以一定程度上改善電流的擴展能力，減少漏電途徑，有利於晶體質量及電子空穴的複合。

在本實施例的又一種實現方式中，過渡層可以由沒有摻雜的GaN層和摻雜Al的GaN層交替層疊而成。

步驟105：在過渡層上生長N型GaN層。

具體地，N型GaN層可以為單層摻雜Si的GaN層，也可以為多層摻雜Si的GaN層，各層摻雜Si的GaN層中Si的摻雜濃度不同。

步驟106：在N型GaN層上生長應力釋放層。

具體地，應力釋放層可以由交替層疊的InGaN層和GaN層組成，也可以為單層的InGaN層。

步驟107：在應力釋放層上生長有源層。

具體地，有源層可以包括交替層疊的InGaN量子阱層和GaN量子壘層。

步驟108：在有源層上生長P型電子阻擋層。

具體地，P型電子阻擋層可以為P型摻雜的AlGaN層，也可以由P型摻雜的AlGaN層和P型摻雜的GaN層交替層疊而成。

步驟109：在P型電子阻擋層上生長P型GaN層。

具體地，P型GaN層可以為單層摻雜Mg的GaN層，也可以為多層摻雜Mg的GaN層，各層GaN層中Mg的摻雜濃度不同。

本實施例生長的外延片如圖2所示，其中，1為襯底，2為低溫緩衝層，3為過渡層，4為N型GaN層，5為應力釋放層，6為有源層，7為P型電子阻擋層，8為P型GaN層。

本發明實施例通過先將生長壓力升高至第一設定壓力並在第一設定壓力下生長第一GaN層，再將生長壓力降低至第二設定壓力並在第二設定壓力下生長第二GaN層，第一GaN層在高壓的條件下生長，生長速度緩慢，GaN三維成長時間拉長，三維島狀晶體面積增大，相鄰三維島狀晶體相接甚至合併，缺陷密度降低，抗靜電能力提高，同時位錯出現的機率減少，減小外延片的翹曲度，特別適用於大尺寸的襯底；第二GaN層在低壓的條件下生長，此時三維島狀晶體合併轉為二維生長，低壓生長可以有效降低外延生長過程中的碳雜質汙染，提高發光效率和晶片的光學性能。

實施例二

本發明實施例提供了另一種GaN基發光二極體外延片的生長方法，本實施例提供的生長方法是實施例一提供的生長方法的具體實現。在本實施例中，設定溫度為1280℃，參見圖3，生長壓力先升高到900mPa並維持800s生長GaN，再降低至400mPa並維持400s生長GaN，形成過渡層。

過渡層先在高壓條件下生長，生長速度非常緩慢，此時GaN三維成長時間拉長，三維島狀面積也隨著增大，當島間相連接或者合併後就可以減少位錯出現的機率，降低缺陷密度，當襯底尺寸變大時，還可以有效地減小外延片的翹曲度。島間合併完全後就轉為二維生長，此時降低過渡層的生長壓力，可以有效地降低外延生長過程中的碳雜質汙染，提高發光效率，製備出的晶片也能表現出較好的光學性能。

本實施例生長的外延片製作的LED晶片，與傳統方法生長的外延片製作的LED晶片相比，如圖4所示，在4000v的測試條件下的抗靜電能力提高22％左右，如圖5所示，發光效率提高6％左右。

實施例三

本發明實施例提供了又一種GaN基發光二極體外延片的生長方法，參見圖6，該生長方法包括：

步驟300：對襯底進行低壓高溫預處理，以清潔襯底。

具體地，該步驟300可以與實施例一提供的步驟100相同，在此不再詳述。

步驟301：在襯底上生長低溫緩衝層。

具體地，該步驟301可以與實施例一提供的步驟101相同，在此不再詳述。

步驟302：將生長溫度以不超過設定速率的速率升高至設定溫度。

具體地，該步驟302可以與實施例一提供的步驟102相同，在此不再詳述。

步驟303：將生長壓力升高至第一設定壓力，並在第一設定時間段內保持為第一設定壓力生長第一GaN層。

步驟304：將生長壓力降低至第二設定壓力，並在第二設定時間段內保持為第二設定壓力生長第二GaN層。

步驟305：將生長壓力升高至第三設定壓力，並在第三時間段內保持為第三設定壓力生長第三GaN層，第三GaN層、第二GaN層、以及第一GaN層組成過渡層。

可選地，第一設定時間段、第二時間段、以及第三時間段的比值可以為2:1:1～8:1:4。

在本實施例的一種實現方式中，過渡層可以為沒有摻雜的GaN層。

在本實施例的另一種實現方式中，過渡層可以為摻雜Si的GaN層，過渡層中Si的摻雜濃度為1018～5*1018cm-3。

在本實施例的又一種實現方式中，過渡層可以由沒有摻雜的GaN層和摻雜Al的GaN層交替層疊而成。

步驟306：在過渡層上生長N型GaN層。

具體地，該步驟306可以與實施例一提供的步驟105相同，在此不再詳述。

步驟307：在N型GaN層上生長應力釋放層。

具體地，該步驟307可以與實施例一提供的步驟106相同，在此不再詳述。

步驟308：在應力釋放層上生長有源層。

具體地，該步驟308可以與實施例一提供的步驟107相同，在此不再詳述。

步驟309：在有源層上生長P型電子阻擋層。

具體地，該步驟309可以與實施例一提供的步驟108相同，在此不再詳述。

步驟310：在P型電子阻擋層上生長P型GaN層。

具體地，該步驟310可以與實施例一提供的步驟109相同，在此不再詳述。

本發明實施例通過先將生長壓力升高至第一設定壓力並在第一設定壓力下生長第一GaN層，再將生長壓力降低至第二設定壓力並在第二設定壓力下生長第二GaN層，第一GaN層在高壓的條件下生長，生長速度緩慢，GaN三維成長時間拉長，三維島狀晶體面積增大，相鄰三維島狀晶體相接甚至合併，缺陷密度降低，抗靜電能力提高，同時位錯出現的機率減少，減小外延片的翹曲度，特別適用於大尺寸的襯底；第二GaN層在低壓的條件下生長，此時三維島狀晶體合併轉為二維生長，低壓生長可以有效降低外延生長過程中的碳雜質汙染，提高發光效率和晶片的光學性能；又將生長壓力升高至第三設定壓力，並在第三時間段內保持為第三設定壓力生長第三GaN層，可以進一步阻隔缺陷，提高外延片的抗靜電能力。

實施例四

本發明實施例提供了又一種GaN基發光二極體外延片的生長方法，本實施例提供的生長方法是實施例三提供的生長方法的具體實現。在本實施例中，設定溫度為1280℃，參見圖7，生長壓力先升高到900mPa並維持600s生長GaN，再降低至400mPa並維持300s生長GaN，緊接著又升高到900mPa並維持300s生長GaN，形成過渡層。

過渡層先在高壓條件下緩慢生長，三維島狀成長時間相應拉長，當島間相連接或者合併後就可以減少位錯和減小外延片的翹曲度。島間合併完全後就轉為二維生長，此時降低過渡層的生長壓力，可以有效地降低外延生長過程中的碳雜質汙染，提高發光效率，製備出的晶片也能表現出較好的光學性能。此時繼續將壓力升至高壓，又可以進一步填補部分小位錯和缺陷，防止其繼續延伸，為後面外延層的生長提供了有利條件，最終大幅度提高晶片的抗靜電能力。

本實施例生長的外延片製作的LED晶片，與傳統方法生長的外延片製作的LED晶片相比，如圖8所示，在4000v的測試條件下的抗靜電能力提高29％左右。

上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。