一種紫光led的外延生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種新的生長紫光LED外延的方法，適合波長范圍365-420nm，能夠很大程度降低紫光LED的生長難度，同時(shí)提升紫光LED的輻射功率，并有效提高了紫光LED器件的可靠性。本發(fā)明中采用摻雜n型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，其中的勢壘層AlGaN和勢阱層GaN周期性交替摻雜，可以集中n型載流子濃度，不同層的濃度呈現(xiàn)周期濃度變化，周期性電導(dǎo)的變化能夠使得電流擴(kuò)散更好，同時(shí)電導(dǎo)變化區(qū)加寬，使得線性缺陷的漏電通道穿透效果減弱，能夠降低正向電壓，提高ESD。
【專利說明】一種紫光LED的外延生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電器件材料制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種紫光LED的外延生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技進(jìn)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(diǎn)，已經(jīng)大面積地應(yīng)用于交通指示燈、交通信號(hào)燈、景觀裝飾燈、顯示屏、汽車尾燈、手機(jī)背光源等領(lǐng)域。目前市場上的LED等主要以藍(lán)綠光為主，紅黃光次之，紫光及紫外的LED產(chǎn)品比較少，主要由于紫光的LED制造難度大、光效低。隨著LED應(yīng)用的發(fā)展，紫光LED的市場需求越來越大，普遍應(yīng)用于醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)測量、衛(wèi)生消毒、驗(yàn)鈔點(diǎn)鈔檢驗(yàn)設(shè)備、防偽行業(yè)、生物統(tǒng)計(jì)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(gè)方面。
[0003]目前紫光LED外延生長技術(shù)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(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是一種新的生長紫光LED外延方法，適合波長范圍365-420nm，能夠很大程度降低紫光LED的生長難度，同時(shí)提升紫光LED的輻射功率，并有效提高了紫光LED器件的
可靠性。
[0005]本發(fā)明的基本方案如下:
[0006]一種紫光LED的外延生長方法，包括以下步驟:
[0007](I)以藍(lán)寶石作為生長基底，生長低溫AlN層；
[0008](2 )生長高溫AlN層；
[0009](3)生長若干個(gè)周期的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)；
[0010](4)生長摻雜η型AlGaN層；
[0011](5)生長若干個(gè)周期的η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)(即在生長過程中分別在勢壘層AlGaN和勢阱層GaN周期性交替摻雜硅烷)；
[0012](6)生長AlGaN/InGaN壘阱的周期結(jié)構(gòu)，作為量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)；
[0013](7)生長摻雜P型AlGaN阻擋層；
[0014](8)生長摻雜P型GaN層；
[0015](9)在氮?dú)夥諊峦嘶穑?br> [0016]上述步驟(6)首先進(jìn)行若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長，每個(gè)周期是先以In含量階梯遞減生長兩層InGaN，然后升溫生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢壘層，再降溫以In含量階梯遞增生長兩層InGaN ;完成若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長后，再進(jìn)行1_2個(gè)結(jié)束周期結(jié)構(gòu)的生長，所述結(jié)束周期結(jié)構(gòu)中升溫生長AlGaN勢壘層過程中不摻雜硅烷，其他條件與主體周期結(jié)構(gòu)一致。
[0017]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定:
[0018]上述步驟(5)是在1050°C生長η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，共生長5個(gè)周期，總厚度50nm。
[0019]上述步驟(6)具體按照以下方式進(jìn)行生長:
[0020]在770°C生長一層3nm的InxGa^xN量子阱層，然后升溫到800°C接著生長一層2nm左右InyGal-yN層，然后升溫到1000°C，生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢壘層厚度10nm，然后降溫到800°C接著生長一層2nm左右InyGai_yN層，再降溫到770°C，生長一層3nm的InxGapxN的量子阱層，其中0〈x，y<l,y<x ；以此方式依次生長5個(gè)周期；然后生長最后2個(gè)周期，其中壘層AlGaN不摻雜，其余條件保持與之前5個(gè)周期一致。
[0021]上述步驟(3)是在溫度1050°C生長一層10個(gè)周期AlN/AlGaN的超晶格，總厚度70nmo
[0022]相應(yīng)的，按照上述方法制得的紫光LED的外延片結(jié)構(gòu)，主要包括依次生長的以下各層:
[0023]藍(lán)寶石基底；
[0024]低溫AlN 層；
[0025]高溫AlN 層；
[0026]若干個(gè)周期的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)；
[0027]摻雜η 型 AlGaN 層；
[0028]若干個(gè)周期的η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)；
[0029]AlGaN/InGaN壘阱的周期結(jié)構(gòu)，作為量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)；
[0030]摻雜P型AlGaN阻擋層；
[0031]摻雜P型GaN層；
[0032]其中，AlGaN/InGaN壘阱的周期結(jié)構(gòu)依次分為若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)和1_2個(gè)結(jié)束周期結(jié)構(gòu)，其中若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長，每個(gè)周期是先以In含量階梯遞減生長兩層InGaN，然后生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢壘層，再以In含量階梯遞增生長兩層InGaNjf述結(jié)束周期結(jié)構(gòu)生長于所述若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其生長AlGaN勢壘層過程中不摻雜硅烷，其他結(jié)構(gòu)與主體周期結(jié)構(gòu)一致。
[0033]優(yōu)選5個(gè)周期的η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，總厚度50nm。
[0034]上述若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長具體可以是，每個(gè)周期先生長一層3nm的InxGa1J^量子講層,然后生長一層2nm InyGal_yN層，然后生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢魚層厚度IOnm,接著生長一層2nm左右InyGa卜yN層，再生長一層3nm的InxGa^xN的量子講層，其中0〈x，y〈l，y〈x ;以此結(jié)構(gòu)共依次生長5個(gè)主體周期；最后生長2個(gè)所述結(jié)束周期結(jié)構(gòu)。
[0035]優(yōu)選10個(gè)周期的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)，總厚度70nm。
[0036]x，y 的值優(yōu)選取(0.3，0.2)、(0.5，0.2)、(0.8，0.4)等。
[0037]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0038]本發(fā)明中采用摻雜η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，其中的勢壘層AlGaN和勢阱層GaN周期性交替摻雜，可以集中η型載流子濃度，不同層的濃度呈現(xiàn)周期濃度變化，周期性電導(dǎo)的變化能夠使得電流擴(kuò)散更好，同時(shí)電導(dǎo)變化區(qū)加寬，使得線性缺陷的漏電通道穿透效果減弱，能夠降低正向電壓，提高ESD。
[0039]同時(shí)，量子阱區(qū)采用AlGaN/InGaN周期生長，每個(gè)周期內(nèi)依次生長不同In含量的InGaN層，然后升溫生長摻雜η型AlGaN層；采用這種變化式生長能夠減小壘阱層由于晶格適配產(chǎn)生的極化應(yīng)力，減小界面缺陷，同時(shí)高溫AlGaN壘層不但可以提升摻雜效果，并且這種結(jié)構(gòu)使得電子穿透更加容易，并且在阱區(qū)發(fā)生復(fù)合的高能級(jí)發(fā)光復(fù)合增強(qiáng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明的紫光LED的外延整體結(jié)構(gòu)圖。
[0041]圖2為AlGaN/GaN超晶格周期摻雜結(jié)構(gòu)圖(即圖1中第6層)，其中Si表示該層為n型摻雜。
[0042]圖3為量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)的一個(gè)周期的結(jié)構(gòu)圖(即圖1中第7層中的一個(gè)周期)。
[0043]圖4為量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)的生長示意圖(即圖1中第7層)。
【具體實(shí)施方式】
[0044]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0045]本發(fā)明采用藍(lán)寶石作為生長基底，進(jìn)行異質(zhì)外延生長，運(yùn)用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)外延生長技術(shù)，采用三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn)，三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)硅烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提供生長所需要的鎵源，銦源，鋁源，和氮源，硅源，鎂源。具體主要生長環(huán)節(jié)如下:
[0046]1.將藍(lán)寶石襯底特殊清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0047]2.降溫度600°C生長一層厚度IOnm的低溫AlN層，生長壓力為200torr。
[0048]3.升溫到1070°C生長一層厚度300nm的本征ALN層，生長壓力為200torr.[0049]4.在溫度1050°C，200torr生長一層10個(gè)周期AlN/AlGaN的超晶格，總厚度70nm。
[0050]5.在溫度1050°C生長一層摻雜硅烷的η型AlGaN層，厚度500nm，壓力200torr.[0051]6.接在在1050°C生長周期摻雜硅烷的η型AlGaN/GaN超晶格，生長過程中分別在GaN生長層和AlGaN層交替摻雜硅烷，生長5個(gè)周期，厚度50nm.[0052]7.在氮?dú)夥諊?50torr，770°C生長一層3nm的InxGal-xN量子阱層，然后升溫到800°C接著生長一層2nm左右InyGal-yN層，然后升溫到1000°C，150torr生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢壘層厚度10nm，然后降溫到800°C在350torr接著生長一層2nm左右InyGal-yN層，再降溫到770°C，生長一層3nm的InxGal-xN的量子講層，其中0〈x, y<l,y〈x，例如取(x，y)= (0.3,0.2),(0.5,0.2),(0.8,0.4)等；然后依次生長5個(gè)周期，然后接著生長后2個(gè)周期，其中壘層AlGaN不摻雜硅烷，其余條件保持和前5個(gè)周期一致。
[0053]8.溫度至 900°C, 150torr,生長一層 p 型 AlGaN 層，厚度 20nm。
[0054]9.在950°C生長一層摻雜鎂P型GaN，150nm左右。
[0055]10.在氮?dú)夥諊?，退?0分鐘。
[0056]以上整體外延生長過程結(jié)束，即制得紫光LED的外延片。
[0057]采用此紫光LED外延片制成的芯片，其ESD (抗靜電能力)良率較傳統(tǒng)的紫光外延片在相同工藝條件下制作的芯片在相同擊穿電壓下提升了 10%;較傳統(tǒng)的LED外延片在相同工藝條件下制成的芯片的光效提升了 25%-30%。[0058]需要強(qiáng)調(diào)的是，以上實(shí)施例中給出了能夠達(dá)到最佳技術(shù)效果的具體參數(shù)，但這些溫度、厚度、壓力等具體參數(shù)大部分均是參照現(xiàn)有技術(shù)所做的常規(guī)選擇，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。說明書中闡述了本發(fā)明技術(shù)改進(jìn)的原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)能夠認(rèn)識(shí)到在基本方案下對(duì)各具體參數(shù)做適度的調(diào)整仍然能夠基本實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種紫光LED的外延生長方法，包括以下步驟: (1)以藍(lán)寶石作為生長基底，生長低溫AlN層； (2)生長高溫AlN層; (3)生長若干個(gè)周期的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)； (4)生長η型摻雜AlGaN層； (5)生長若干個(gè)周期的η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)； (6)生長AlGaN/InGaN壘阱的周期結(jié)構(gòu)，作為量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)； (7)生長摻雜P型AlGaN阻擋層； (8)生長摻雜P型GaN層； (9)在氮?dú)夥諊峦嘶穑? 上述步驟(6)首先進(jìn)行若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長，每個(gè)周期是先以In含量階梯遞減生長兩層InGaN，然后升溫生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢壘層，再降溫以In含量階梯遞增生長兩層InGaN;完成若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長后，再進(jìn)行1_2個(gè)結(jié)束周期結(jié)構(gòu)的生長，所述結(jié)束周期結(jié)構(gòu)中升溫生長AlGaN勢壘層過程中不摻雜硅烷，其他條件與主體周期結(jié)構(gòu)一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫光LED的外延生長方法，其特征在于: 步驟(5)是在1050°C生長η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，共生長5個(gè)周期，總厚度 50nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的紫光LED的外延生長方法，其特征在于:步驟(6)具體按照以下方式進(jìn)行生長: 在770°C生長一層3nm的InxGa卜XN量子阱層，然后升溫到800°C接著生長一層2nm左右InyGal-yN層，然后升溫到1000°C，生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢壘層厚度10nm，然后降溫到800°C接著生長一層2nm左右InyGapyN層，再降溫到770°C，生長一層3nm的InxGai_xN的量子阱層，其中0〈x，y〈l，y<x ；以此方式依次生長5個(gè)周期；然后生長最后2個(gè)周期，其中壘層AlGaN不摻雜，其余條件保持與之前5個(gè)周期一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫光LED的外延生長方法，其特征在于:步驟(3)是在溫度1050°C生長一層10個(gè)周期AlN/AlGaN的超晶格，總厚度70nm。
5.一種紫光LED的外延片結(jié)構(gòu),其特征在于:包括依次生長的以下各層: 藍(lán)寶石基底； 低溫AlN層； 高溫AlN層； 若干個(gè)周期的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)； 摻雜η型AlGaN層； 若干個(gè)周期的η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)； AlGaN/InGaN壘阱的周期結(jié)構(gòu)，作為量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)； 摻雜P型AlGaN阻擋層； 摻雜P型GaN層； 其中，AlGaN/InGaN壘阱的周期結(jié)構(gòu)依次分為若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)和1-2個(gè)結(jié)束周期結(jié)構(gòu)，其中若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長，每個(gè)周期是先以In含量階梯遞減生長兩層InGaN，然后生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢壘層，再以In含量階梯遞增生長兩層InGaN ;所述結(jié)束周期結(jié)構(gòu)生長于所述若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其生長AlGaN勢壘層過程中不摻雜硅烷，其他結(jié)構(gòu)與主體周期結(jié)構(gòu)一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于:共有5個(gè)周期的η型交替摻雜AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，總厚度50nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述若干個(gè)主體周期結(jié)構(gòu)的生長，每個(gè)周期是先生長一層3nm的InxGa^N星子講層，然后生長一層2nm InyGaI_yN層，然后生長一層摻雜硅烷的AlGaN勢魚層厚度IOnm,接著生長一層2nm左右InyGapyN層,再生長一層3nm的InxGapxN的量子講層,其中0〈x, y〈l,y〈x ;以此結(jié)構(gòu)共依次生長5個(gè)主體周期；最后生長2個(gè)所述結(jié)束周期結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于:共有10個(gè)周期的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)，總厚度70nm。
【文檔編號(hào)】H01L33/32GK103887380SQ201410123905
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】王曉波 申請(qǐng)人:西安神光皓瑞光電科技有限公司