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CN107170855A - 一种发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的制造方法，属于半导体技术领域。包括：在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层；控制生长温度为1050℃～1100℃，生长压力为300torr～600torr，在低温二维层上生长高温高压三维层；控制生长温度为1000℃～1050℃，生长压力为100torr～300torr，在高温高压三维层上生长低温低压三维层，低温低压三维层的生长压力低于高温高压三维层的生长压力；在低温低压三维层上依次生长未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。本发明利用高温高压三维层快速填平图形化蓝宝石衬底的表面图形之间的空间，最终提高发光二极管的抗静电能力。

Description

一种发光二极管外延片的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制造方法。
背景技术
半导体发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。氮化镓基材料是LED的优良材料，具有禁带宽度大、电子漂移速度不易饱和、击穿场强大、介电常数小、导热性能好、耐高温、抗腐蚀等优点。
氮化镓基材料绝大多数生长在蓝宝石衬底上，特别是图形化蓝宝石衬底(英文：Patterned Sapphire Substrate，简称PSS)上。PSS表面的图形可以改变出射光的角度，增加全反射，从而提高LED的正向出光。目前为了充分利用PSS增加全反射，PSS表面的图形的尺寸越来越大。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
PSS表面的图形的尺寸越来越大，PSS表面中的C面的面积相应减少。由于C面最利于氮化镓基材料生长，因此C面的减少导致氮化镓基生长困难，长出的氮化镓晶体质量较差，缺陷密度增加，LED的抗静电能力随之降低。
发明内容
为了解决现有技术氮化镓基生长困难，缺陷密度增加，影响LED的抗静电能力的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层；
控制生长温度为1050℃～1100℃，生长压力为300torr～600torr，在所述低温二维层上生长高温高压三维层；
控制生长温度为1000℃～1050℃，生长压力为100torr～300torr，在所述高温高压三维层上生长低温低压三维层；
在所述低温低压三维层上依次生长未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。
可选地，所述高温高压三维层的生长温度为1060℃，所述低温低压三维层的生长温度为1010℃。
可选地，所述高温高压三维层的生长压力为600torr，所述低温低压三维层的生长压力为200torr。
可选地，所述高温高压三维层和所述低温低压三维层的厚度之和为1.7μm～1.8μm。
可选地，所述高温高压三维层和所述低温低压三维层的厚度比为0.8～1.2。
可选地，所述高温高压三维层的厚度为0.8μm～1μm，所述低温低压三维层的厚度为0.8μm～1μm。
优选地，所述高温高压三维层的厚度为1μm，所述低温低压三维层的厚度为0.8μm。
可选地，所述低温二维层的生长温度为540℃。
可选地，所述低温二维层的厚度为25nm。
可选地，在所述在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层之前，所述制造方法还包括：
在所述图形化蓝宝石衬底上生长氮化铝层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层之后，先在1050℃～1100℃的高温和和300torr～600torr的高压下生长高温高压三维层，高温高压三维层的生长温度较高，生长速率较快，可以快速填平图形化蓝宝石衬底的表面图形之间的空间，增加氮化镓基材料生长的C面面积，弥补由于图形化蓝宝石衬底的表面图形尺寸增加所减少的衬底C面面积，缓解由此带来的生长困难和缺陷密度增加的问题，降低缺陷密度，提高发光二极管的抗静电能力。再在1000℃～1050℃的低温和100torr～300torr的低压下生长低温低压三维层，低温低压三维层的三维岛状可以将缺陷的方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延片的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图；
图2是本发明实施例一提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，参见图1，该制造方法包括：
步骤101：在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层。
在本实施例中，低温二维层为氮化镓层。
可选地，在步骤101之前，该制造方法还可以包括：
在图形化蓝宝石衬底上生长氮化铝层。
可以理解地，此时低温二维层在氮化铝层上生长。
由于蓝宝石的主要成分为氧化铝，低温二维层的成分为氮化镓，在图形化蓝宝石衬底和低温二维层之间插入氮化铝层，可以降低蓝宝石和氮化镓之间的晶格失配，降低外延片的缺陷密度，提高发光二极管的抗静电能力。
在具体实现中，到达氮化铝表面的氮化镓原子会先平铺在氮化铝层上，生长出低温二维层。由于蓝宝石衬底、氮化铝、以及氮化镓之间存在一定的晶格失配，因此平铺一层之后，氮化镓原子会先在比较容易成核的地方聚集成核，后面到达的氮化镓原子聚集在核的周围，使核不断长大，生长出高温高压三维层(详见步骤102)。核长大到一定程度，会与相邻的核合并，最终使氮化镓原子再次平铺在氮化铝层上，生长出低温低压三维层(详见步骤103)。
步骤102：控制生长温度为1050℃～1100℃，生长压力为300torr～600torr，在低温二维层上生长高温高压三维层。
在本实施例中，高温高压三维层为氮化镓层。
需要说明的是，三维层的生长条件为低温或者高压，本实施例通过将生长压力300torr～600torr，从而实现三维层的生长。
可选地，高温高压三维层的厚度可以为0.8μm～1μm。若高温高压三维层的厚度小于0.8μm，则可能无法填平图形化蓝宝石衬底的表面图形之间的空间，最终无法实现降低缺陷密度、以及提高发光二极管的抗静电能力的效果；若高温高压三维层的厚度大于1μm，则可能会由于太厚而引入新的缺陷。
步骤103：控制生长温度为1000℃～1050℃，生长压力为100torr～300torr，在高温高压三维层上生长低温低压三维层。
在本实施例中，低温低压三维层为氮化镓层。
可选地，低温低压三维层的厚度可以为0.8μm～1μm。若低温低压三维层的厚度小于0.8μm，则可能由于太薄而不能为后续各层的生长提供较好的平面；若低温低压三维层的厚度大于1μm，则可能造成材料的浪费。
可选地，高温高压三维层和低温低压三维层的厚度之和可以为1.7μm～1.8μm。若高温高压三维层和低温低压三维层的厚度之和小于1.7μm，则可能由于太薄而导致最终无法实现降低缺陷密度、以及提高发光二极管的抗静电能力的效果；若高温高压三维层和低温低压三维层的厚度之和大于1.8μm，则可能造成材料的浪费。
可选地，高温高压三维层和低温低压三维层的厚度比可以为0.8～1.2。若高温高压三维层和低温低压三维层的厚度比小于0.8，则高温高压三维层太薄，可能无法填平图形化蓝宝石衬底的表面图形之间的空间，最终无法实现降低缺陷密度、以及提高发光二极管的抗静电能力的效果，或者低温低压三维层太厚，造成材料的浪费；若高温高压三维层和低温低压三维层的厚度比大于1.2，则高温高压三维层太厚，引入新的缺陷，或者低温低压三维层太薄，不能为后续各层的生长提供较好的平面。
步骤104：在低温低压三维层上依次生长未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。
具体地，N型氮化镓层中的N型掺杂剂可以为Si。应力释放层包括多个铟镓氮层和多个氮化镓层，多个铟镓氮层和多个氮化镓层交替层叠设置。多量子阱层包括多个铟镓氮层和多个氮化镓层，多个铟镓氮层和多个氮化镓层交替层叠设置。电子阻挡层为P型铝镓氮层。P型铝镓氮层和P型氮化镓层中的P型掺杂剂可以为Mg。P型氮化镓层包括空穴提供层和接触层，接触层的生长温度高于空穴提供层的生长温度，接触层的厚度小于空穴提供层。
图2为采用本实施例提供的制造方法得到的外延片的结构示意图。其中，1为图形化蓝宝石衬底，2为低温二维层，3为高温高压三维层，4为低温低压三维层，5为未掺杂氮化镓层，6为N型氮化镓层，7为应力释放层，8为多量子阱层，9为电子阻挡层，10为P型氮化镓层。如图2所示，低温二维层2、高温高压三维层3、低温低压三维层4、未掺杂氮化镓层5、N型氮化镓层6、应力释放层7、多量子阱层8、电子阻挡层9、P型氮化镓层10依次层叠在图形化蓝宝石衬底1上。
本发明实施例在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层之后，先在1050℃～1100℃的高温和和300torr～600torr的高压下生长高温高压三维层，高温高压三维层的生长温度较高，生长速率较快，可以快速填平图形化蓝宝石衬底的表面图形之间的空间，增加氮化镓基材料生长的C面面积，弥补由于图形化蓝宝石衬底的表面图形尺寸增加所减少的衬底C面面积，缓解由此带来的生长困难和缺陷密度增加的问题，降低缺陷密度，提高发光二极管的抗静电能力。再在1000℃～1050℃的低温和100torr～300torr的低压下生长低温低压三维层，低温低压三维层的三维岛状可以将缺陷的方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延片的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，本实施例提供的制造方法是实施例一提供的制造方法的具体实现。在本实施例中，以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In、N源，采用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为N型、P型掺杂剂。
具体地，参见图3，该制造方法包括：
步骤201：将图形化蓝宝石衬底在生长温度为1050℃的纯氢气气氛里进行退火，并进行氮化处理。
步骤202：控制生长温度为540℃，在图形化蓝宝石衬底上生长厚度为25nm的低温二维层。
步骤203：控制生长温度为1060℃，生长压力为600torr，在低温二维层上生长厚度为1μm的高温高压三维层。
步骤204：控制生长温度为1010℃，生长压力为200torr，在高温高压三维层上生长厚度为0.8μm的低温低压三维层。
步骤205：停止通入TMGa，控制生长温度为1040℃，在原位进行8分钟的退火处理。
步骤206：在高温高压三维层上生长厚度为1μm的未掺杂氮化镓层。
步骤207：在未掺杂氮化镓层上生长厚度为2μm的N型氮化镓层。
步骤208：控制生长压力为300torr，在N型氮化镓层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括6个厚度为2nm的铟镓氮层和6个厚度为30nm的氮化镓层，6个铟镓氮层和6个氮化镓层交替层叠设置。
步骤209：在应力释放层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括多个厚度为2.5nm的铟镓氮层和多个厚度为15nm的氮化镓层，多个铟镓氮层和多个氮化镓层交替层叠设置，氮化镓层的层数与铟镓氮层的层数相同，铟镓氮层的层数为8～10层。
步骤210：在多量子阱层上生长厚度为80nm的电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为P型铝镓氮层。
步骤211：在电子阻挡层上生长厚度为215nm的P型氮化镓层。
需要说明的是，在外延生长工艺结束后，将反应腔的温度降至800℃，在纯氮气气氛下进行退火处理10min，然后降至室温，结束外延生长。经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，将LED外延片分割成LED芯片。
将采用本实施例提供的制造方法制造的发光二极管外延片与采用传统方法(没有生长高温高压三维层)制造的发光二极管外延片分别采用X射线衍射(英文：X-raydiffraction，简称：XRD)进行检测，检测结果如下表一所示：
表一
制造方法 传统方法 本实施例
刃位错的密度 177.1 147.8
螺旋位错的密度 267.9 201.8
从表一中可以看出，与传统方法制造的发光二极管外延片相比，本实施例制造的发光二极管外延片的缺陷密度(包括刃位错的密度和螺旋位错的密度)均得到了降低。由于缺陷密度是单位体积的外延片中缺陷的数量，因此缺陷密度的数值越低，表明外延片中缺陷的数量越少，晶体的质量越高。所以本实施例提供的制造方法可以降低缺陷密度，提高发光二极管外延片的晶体质量，进而提高发光二极管的抗静电能力。
本发明实施例在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层之后，先在1050℃～1100℃的高温和和300torr～600torr的高压下生长高温高压三维层，高温高压三维层的生长温度较高，生长速率较快，可以快速填平图形化蓝宝石衬底的表面图形之间的空间，增加氮化镓基材料生长的C面面积，弥补由于图形化蓝宝石衬底的表面图形尺寸增加所减少的衬底C面面积，缓解由此带来的生长困难和缺陷密度增加的问题，降低缺陷密度，提高发光二极管的抗静电能力。再在1000℃～1050℃的低温和100torr～300torr的低压下生长低温低压三维层，低温低压三维层的三维岛状可以将缺陷的方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延片的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层；
控制生长温度为1050℃～1100℃，生长压力为300torr～600torr，在所述低温二维层上生长高温高压三维层；
控制生长温度为1000℃～1050℃，生长压力为100torr～300torr，在所述高温高压三维层上生长低温低压三维层；
在所述低温低压三维层上依次生长未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述高温高压三维层的生长温度为1060℃，所述低温低压三维层的生长温度为1010℃。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述高温高压三维层的生长压力为600torr，所述低温低压三维层的生长压力为200torr。
4.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述高温高压三维层和所述低温低压三维层的厚度之和为1.7μm～1.8μm。
5.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述高温高压三维层和所述低温低压三维层的厚度比为0.8～1.2。
6.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述高温高压三维层的厚度为0.8μm～1μm，所述低温低压三维层的厚度为0.8μm～1μm。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述高温高压三维层的厚度为1μm，所述低温低压三维层的厚度为0.8μm。
8.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述低温二维层的生长温度为540℃。
9.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述低温二维层的厚度为25nm。
10.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，在所述在图形化蓝宝石衬底上生长低温二维层之前，所述制造方法还包括：
在所述图形化蓝宝石衬底上生长氮化铝层。
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