基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法
【專利摘要】本發(fā)明公開基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，包括：在氫氣氣氛下處理藍(lán)寶石襯底5?10分鐘；在藍(lán)寶石襯底上生長低溫緩沖層GaN；持續(xù)生長不摻雜GaN層；持續(xù)生長的N型GaN；生長InxGa(1?x)N阱層；生長GaN壘層，周期性生長10?15對(duì)InxGa(1?x)N阱層/GaN壘層形成有源層MQW；其中，靠近N型GaN的量子阱能帶低于靠近P型GaN的量子阱能帶；靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度；持續(xù)生長P型AlGaN層；持續(xù)生長摻鎂的P型GaN層；降溫至700?800℃，保溫20?30min后在爐內(nèi)冷卻。本發(fā)明增強(qiáng)了空穴的注入效率進(jìn)而提升LED芯片的發(fā)光效率。
【專利說明】
基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片制作的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于有源層提高發(fā) 光二極管亮度的外延生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode，簡(jiǎn)稱LED)作為一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半 導(dǎo)體電子器件，與傳統(tǒng)的白熾燈泡及氖燈相比，發(fā)光二極管以其工作電壓低(有的僅一點(diǎn)幾 伏）、工作電流很?。ㄓ械膬H零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光）、抗沖擊和抗震性能好、可靠性高、壽命 長、可方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱的特點(diǎn)廣受歡迎。隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的蓬勃發(fā)展，半導(dǎo)體 照明以節(jié)能、環(huán)保、高亮度、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，成為社會(huì)發(fā)展的焦點(diǎn)，也帶動(dòng)了整個(gè)行業(yè)上中下 游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?；贕aN(氮化鎵)基的LED芯片是半導(dǎo)體照明的"動(dòng)力"，在近年來，其性能得 到大幅提升、生產(chǎn)成本也不斷降低，為半導(dǎo)體照明走進(jìn)千家萬戶做出了突出貢獻(xiàn)。但是，為 提高LED照明所占的市場(chǎng)比例，加快替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，LED器件還需進(jìn)一步地 提升光效，降低每流明的成本。
[0003] 近年來，多量子阱技術(shù)在GaN基LED已經(jīng)得到了充分應(yīng)用，量子阱是指由2種不同的 半導(dǎo)體材料相間排列形成的具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢(shì)阱。由于量子阱寬度 的限制，導(dǎo)致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化。在由2種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長 形成的多層結(jié)構(gòu)中，如果勢(shì)皇層足夠厚，致使相鄰勢(shì)阱之間載流子波函數(shù)之間的耦合很小， 多層結(jié)構(gòu)將形成許多分離的量子阱，成為多量子阱。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的LED外延結(jié) 構(gòu)中采用InGaN/GaN(量子阱/量子皇)的有源發(fā)光層結(jié)構(gòu)(有源層MQW)作為LED的發(fā)光層。
[0004] 為了提高LED的發(fā)光效率，目前采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)來生長高亮度的 GaN基LED外延片，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(簡(jiǎn)稱M0CVD技術(shù)），是以ΙΠ 族、Π 族元素的有 機(jī)化合物和V、VI族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行 氣相外延，生長各種m-v族、Π -VI族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料 的技術(shù)。
[0005] 如圖1及圖2所示，圖1為傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)外延生長方法的流程示意圖；圖2為通過傳統(tǒng) LED結(jié)構(gòu)外延生長方法制備得到的LED的外延層結(jié)構(gòu)示意圖。其中，傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)外延生長方 法包括如下步驟：
[0006] 步驟101、在1000-1300°c、反應(yīng)腔壓力維持在50-500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶 石襯底5-10分鐘。
[0007] 步驟102、降溫至550-650°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，在藍(lán)寶石襯底上生 長厚度為10-40nm的低溫緩沖層GaN，即GaN成核層。
[0008] 步驟103、升高溫度到1000-1200°c，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長2-4 μπι的非摻雜u-GaN緩沖層。
[0009] 步驟104、溫度控制在1000-1200°c，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長2-4 μπι的N型GaN(n-GaN層），其中，Si摻雜濃度為5E+18-2E+19。
[0010] 步驟105、周期性生長10-15對(duì)InxGa(1-x)N/GaN的有源層MQW;每個(gè)周期的生長步驟 為：反應(yīng)腔壓力維持在200-400torr，溫度控制在700-750 °C，生長厚度為2.5-3.5nm的 InxGa(1-X)N阱層，其中，x = 0.015-0.25，In摻雜濃度為1E+20至5E+20;然后升高溫度至800-850°C，壓力不變，生長厚度為8-12nm的GaN皇層。
[0011] 步驟106、升高溫度到900-1000°C，反應(yīng)腔壓力維持在100_500torr，持續(xù)生長20-60nm的P型AlGaN 層，其中，A1 摻雜濃度 lE+20-3E+20，Mg 摻雜濃度5E+18-1E+19。
[0012] 步驟107、升高溫度到930-950°C，反應(yīng)腔壓力維持在100_500torr，持續(xù)生長100-300nm的摻鎂的P型GaN層，其中，Mg摻雜濃度1E+19-1E+20。
[0013] 步驟108、最后降溫至700-800°C，保溫20-30min后，進(jìn)行爐內(nèi)冷卻。
[0014]結(jié)合圖2所示，通過傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)外延生長方法制備得到的LED的外延結(jié)構(gòu)包括： 201為藍(lán)寶石襯底、202為GaN成核層、203為非摻雜u-GaN緩沖層、204為N型GaN層(η-GaN層）、 205為有源層MQW、206為P型AlGaN層、207為P型GaN層(p-GaN層）。
[0015]但是，LED的發(fā)光功率在一定程度上受到外延層的空穴濃度的限制，因?yàn)長ED發(fā)光 主要是因?yàn)殡娮雍涂昭ㄔ谟性磳覯QW中復(fù)合發(fā)光，現(xiàn)有的LED的有源層MQW中，空穴在穿越皇 層時(shí)會(huì)造成損耗，導(dǎo)致空穴難注入的問題，由此就會(huì)影響到制備獲得LED的發(fā)光效率。
[0016] 因此，提供一種降低空穴在穿越皇層時(shí)的損耗，以提高LED發(fā)光效率的外延生長方 法是本領(lǐng)域亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法， 解決了現(xiàn)有的LED的有源層MQW中，空穴在穿越皇層時(shí)會(huì)造成損耗，導(dǎo)致空穴難注入的問題。
[0018] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延 生長方法，包括：
[0019] 在1000-1300°c、反應(yīng)腔壓力維持在50-500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶石襯底5-10分鐘；
[0020] 在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為10_40nm的低溫緩沖層GaN;
[0021] 持續(xù)生長2_4μπι的不摻雜GaN層；
[0022] 持續(xù)生長厚度為2-4μπι的N型GaN，其中，Si摻雜濃度為5E+18-2E+19;
[0023] 反應(yīng)腔壓力維持在200-400切^溫度控制在700-750°(：，生長厚度為2.5-3.511111的 InxGa(1-X)N 阱層，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 摻雜濃度為 1E+20 至 5E+20;
[0024] 升高溫度至800-850°C，壓力維持在200-400torr，生長厚度為8-12nm的GaN皇層， 周期性生長10-15對(duì)InxGa(1-X)N阱層/GaN皇層形成有源層MQW;其中，通過改變量子阱的In摻 雜量、預(yù)鋪In或生長溫度使得靠近N型GaN的量子阱能帶低于靠近P型GaN的量子阱能帶；改 變生長時(shí)間或改變生長速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度； [0025] 持續(xù)生長20-60nm的P型AlGaN層，其中，A1的摻雜濃度lE+20-3E+20，Mg的摻雜濃度 5E+18-1E+19；
[0026] 持續(xù)生長100-300nm的摻鎂的P型GaN層，其中，Mg摻雜濃度1E+19-1E+20;
[0027] 降溫至700-800°C，保溫20-30min后在爐內(nèi)冷卻。
[0028] 進(jìn)一步地，其中，所述周期性生長10-15對(duì)InxGa(1-X)N阱層/GaN皇層形成有源層 MQW，包括：
[0029] 反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為3.0nm的InxGa(1- x)N(x = 0.015)阱層，其中，In摻雜濃度為3E+20;
[0030] 升高溫度至820°C，壓力維持在300torr，生長厚度為10nm的GaN皇層；
[0031] 周期性生長12對(duì)InxGa(1-X)N阱層/GaN皇層形成有源層MQW。
[0032]進(jìn)一步地，其中，所述在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為10_40nm的低溫緩沖層GaN，包 括：
[0033] 降溫至550-650°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為 10-40nm的低溫緩沖層GaN〇
[0034] 進(jìn)一步地，其中，所述持續(xù)生長2_4μπι的不摻雜GaN層，包括：
[0035] 升高溫度到1000-1200 °C，反應(yīng)腔壓力維持在100_500torr，持續(xù)生長2-4μπι的不摻 雜GaN層。
[0036] 進(jìn)一步地，其中，所述持續(xù)生長厚度為2_4μπι的N型GaN，包括：
[0037] 溫度在1000-1200°C，反應(yīng)腔壓力維持在100_500torr，持續(xù)生長厚度為2-4μπι的N 型 GaN。
[0038] 進(jìn)一步地，其中，所述持續(xù)生長20-60nm的P型AlGaN層，包括：
[0039] 升高溫度到900-1000°C，反應(yīng)腔壓力維持在100_500torr，持續(xù)生長20-60nm的P型 AlGaN層。
[0040] 進(jìn)一步地，其中，所述持續(xù)生長100_300nm的摻鎂的P型GaN層，包括：
[0041 ] 升高溫度到930-950°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長100-300nm的摻 鎂的P型GaN層。
[0042] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，實(shí) 現(xiàn)了如下的有益效果：
[0043] (1)本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，通過優(yōu)化量 子阱能帶分布改變電子空穴的迀移方式，降低電子泄露的同時(shí)增強(qiáng)了空穴的注入效率進(jìn)而 提升LED芯片的發(fā)光效率。
[0044] (2)本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，通過優(yōu)化量 子阱能帶分布改變電子空穴的迀移方式，降低電子泄露的同時(shí)增強(qiáng)了空穴的注入效率進(jìn)而 提升LED芯片的發(fā)光效率發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，通 過改變有源層的生長條件，使得靠近N型GaN的量子阱能帶低于靠近P型GaN的量子阱能帶或 靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度，降低了空穴在穿越皇層時(shí)的損 耗，從而提升了 LED芯片有源層MQW中空穴的注入。
[0045] (3)本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，僅僅改變有 源層MQW的生長條件，生成N型GaN端量子阱能帶低于P型GaN端量子阱能帶的方式，操作簡(jiǎn) 便、可實(shí)施性強(qiáng)。
[0046] 當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品必不特定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有技術(shù)效果。
[0047] 通過以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其 優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚。
【附圖說明】
[0048] 被結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且連 同其說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0049] 圖1為傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)外延生長方法的流程示意圖；
[0050] 圖2為通過傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)外延生長方法制備得到的LED的外延層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051] 圖3為本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的一個(gè)可選 實(shí)施例的流程示意圖；
[0052]圖4為利用本發(fā)明實(shí)施例1所述基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法 制備得到的LED外延結(jié)構(gòu)的多量子阱能帶示意圖；
[0053]圖5為本發(fā)明實(shí)施例2所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的 流程示意圖；
[0054]圖6為本發(fā)明本實(shí)施例3中通過傳統(tǒng)方法制備發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的 流程示意圖；
[0055] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例4所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的 流程示意圖；
[0056] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例5所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的 流程示意圖；
[0057]圖9為本發(fā)明實(shí)施例6所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的 流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到：除非另外具 體說明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本 發(fā)明的范圍。
[0059] 以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說明性的，決不作為對(duì)本發(fā)明 及其應(yīng)用或使用的任何限制。
[0060] 對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適 當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為說明書的一部分。
[0061] 在這里示出和討論的所有例子中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不 是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它例子可以具有不同的值。
[0062] 應(yīng)注意到:相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一 個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步討論。
[0063] 實(shí)施例1
[0064] 如圖3所示，為本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的 一個(gè)可選實(shí)施例的流程示意圖。本發(fā)明降低了空穴在穿越皇層時(shí)的損耗，從而提升了LED芯 片有源層MQW中空穴的注入。本實(shí)施例中所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生 長方法包括以下步驟：
[0065] 步驟301、在1000-1300°C、反應(yīng)腔壓力維持在50-500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶 石襯底5-10分鐘。
[0066] 步驟302、在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為10-40nm的低溫緩沖層GaN。
[0067] 步驟303、持續(xù)生長2_4μπι的不摻雜GaN層。
[0068] 步驟304、持續(xù)生長厚度為2-4μπι的N型GaN，其中，Si摻雜濃度為5E+18-2E+19。
[0069] 步驟305、反應(yīng)腔壓力維持在200-400torr，溫度控制在700-750°C，生長厚度為 2 · 5-3 · 5nm 的 InxGa(i-X)N 阱層，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 摻雜濃度為 1E+20 至 5E+20。
[0070] 步驟306、升高溫度至800-850°C，壓力維持在200-400torr，生長厚度為8-12nm的 GaN皇層，周期性生長10-15對(duì)InxGa(1-x)N阱層/GaN皇層形成有源層MQW;其中，通過改變量子 阱的In摻雜量、預(yù)鋪In或生長溫度使得靠近N型GaN的量子阱能帶低于靠近P型GaN的量子阱 能帶;改變生長時(shí)間或改變生長速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子 阱厚度。
[0071] 步驟307、持續(xù)生長20-60nm的P型AlGaN層，其中，A1的摻雜濃度lE+20-3E+20，Mg的 摻雜濃度5E+18-1E+19。
[0072] 步驟308、持續(xù)生長100-300nm的摻鎂的P型GaN層，其中，Mg摻雜濃度1E+19-1E+20。
[0073] 步驟309、降溫至700-800°C，保溫20-30min后在爐內(nèi)冷卻。
[0074]本實(shí)施例中使用到的化合物原料包括:采用高純（純度在99.999%以上)H2或高純 N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為對(duì)原，金屬有機(jī)源三甲基鎵(TMGa)作 為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷(SiH4)，三甲基鋁（TMA1)作為鋁源，P 型摻雜劑為二茂鎂(CP2Mg)，反應(yīng)壓力在50-500torr之間。
[0075] 結(jié)合圖4所示，圖4為利用本實(shí)施例所述基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生 長方法制備得到的LED外延結(jié)構(gòu)的多量子阱能帶示意圖。在圖4中，401為N型GaN層、402為有 源層MQW、403為P型GaN層、404為電子移動(dòng)方向、405為空穴的移動(dòng)方向。
[0076] 從圖4中可以看出，在LED的有源層中，阱層的能帶從N型GaN層到P型GaN層逐漸變 淺，這樣設(shè)計(jì)的好處是在正向電壓驅(qū)動(dòng)下，電子在向P型GaN層的迀移為低勢(shì)能向高勢(shì)能的 迀移過程，大大減少了電子泄露到P型GaN層的幾率;而空穴在向N型GaN層迀移為高勢(shì)能向 低勢(shì)能的迀移過程，有利于提高空穴注入量子阱的速率。再者，阱層的寬度從N型GaN層到P 型GaN層逐漸變寬，由于電子的迀移速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴，因而大部分的有效發(fā)光復(fù)合發(fā)生在 靠近P型GaN層的幾個(gè)量子阱內(nèi)，因此本發(fā)明把靠近P型GaN層的阱層厚度做寬有利于減少空 穴在穿越皇層時(shí)的損耗，即增加了參與發(fā)光的電子空穴對(duì)。
[0077]在LED的技術(shù)領(lǐng)域，LED發(fā)光主要是因?yàn)殡娮雍涂昭ㄔ贛QW發(fā)光層中復(fù)合發(fā)光。本實(shí) 施例中方法制備的LED外延層因?yàn)樵黾恿藚⑴c發(fā)光的電子空穴對(duì)，進(jìn)入MQW發(fā)光層中的空穴 數(shù)量增多，與電子復(fù)合的機(jī)會(huì)增多，從而使得制備獲得的LED亮度提升。因此，利用本實(shí)施例 所述方法制備獲得的LED提高了發(fā)光效率。
[0078] 實(shí)施例2
[0079] 如圖5所示，為本發(fā)明實(shí)施例2所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長 方法的流程示意圖。在本實(shí)施例中，設(shè)置了實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管外延生長各個(gè)步驟的具體方法。 本實(shí)施例中的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法包括以下步驟：
[0080] 步驟501、在1000-1300°c、反應(yīng)腔壓力維持在50-500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶 石襯底5-10分鐘。
[0081 ] 步驟502、降溫至550-650°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，在藍(lán)寶石襯底上生 長厚度為10_40nm的低溫緩沖層GaN〇
[0082] 步驟503、升高溫度到1000-1200°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長2-4 Mi的不摻雜GaN層。
[0083] 步驟504、溫度在1000-1200°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長厚度為 2-4μπι的N型GaN層，其中，Si摻雜濃度為5E+18-2E+19。
[0084] 步驟505、反應(yīng)腔壓力維持在200-400torr，溫度控制在700-750°C，生長厚度為 2 · 5-3 · 5nm 的 InxGa(i-X)N 阱層，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 摻雜濃度為 1E+20 至 5E+20。
[0085] 步驟506、升高溫度至800-850°C，壓力維持在200-400torr，生長厚度為8-12nm的 GaN皇層。
[0086] 步驟507、周期性生長10-15對(duì)InxGa(1-X)N阱層/GaN皇層形成有源層MQW;其中，通過 改變量子阱的In摻雜量、預(yù)鋪In或生長溫度使得靠近N型GaN的量子阱能帶低于靠近P型GaN 的量子阱能帶;改變生長時(shí)間或改變生長速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型 GaN的量子阱厚度。
[0087] 優(yōu)選地，在反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為3.0nm的 InxGa(1-x)N(x = 0.015)阱層，其中，In摻雜濃度為3E+20;升高溫度至820°C，壓力維持在 300torr，生長厚度為10nm的GaN皇層;周期性生長12對(duì)In xGa(i-X)N講層/GaN皇層形成有源層 MQW〇
[0088] 步驟508、升高溫度到900-1000°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長20-60nm的P型AlGaN層，其中，A1的摻雜濃度lE+20-3E+20，Mg的摻雜濃度5E+18-1E+19。
[0089] 步驟509、升高溫度到930-950°C，反應(yīng)腔壓力維持在100_500torr，持續(xù)生長100-300nm的摻鎂的P型GaN層，其中，Mg摻雜濃度1E+19-1E+20。
[0090] 步驟510、降溫至700-800°C，保溫20-30min后在爐內(nèi)冷卻。
[0091] 通過本實(shí)施例所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法制備得到 的LED芯片，通過優(yōu)化量子阱能帶分布改變電子空穴的迀移方式，降低電子泄露的同時(shí)增強(qiáng) 了空穴的注入效率進(jìn)而提升LED芯片的發(fā)光效率。
[0092] 實(shí)施例3
[0093] 在本實(shí)施例中，采用型號(hào)為veeco K465i的M0CVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法)生長 LED外延片作為對(duì)比示例。結(jié)合圖6所示，為本實(shí)施例的發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的 流程示意圖，具體步驟如下：
[0094] 步驟601、在1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶石襯底6分 鐘。
[0095] 步驟602、降溫至550°C，反應(yīng)腔壓力維持在500torr，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為 20nm的低溫緩沖層GaN〇
[0096] 步驟603、升高溫度到1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長3μπι的不摻雜 GaN〇
[0097] 步驟604、溫度控制在1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長4μπι的N型GaN 層，其中，Si摻雜濃度為1E+19。
[0098] 步驟605、周期性生長12對(duì)InxGa(1-x)N/GaN有源層MQW。每個(gè)周期的生長步驟為:反 應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為3.0nm的InxGa(1- x)N(x = 0.015)阱 層，In摻雜濃度為3E+20;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長厚度為10nm的GaN皇層。 [0099] 步驟606、再升高溫度到900°C，反應(yīng)腔壓力維持在lOOtorr，持續(xù)生長40nm的P型 AlGaN層，A1摻雜濃度2E+20，Mg摻雜濃度5E+18。
[0100] 步驟607、再升高溫度到950°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長200nm的摻鎂 的P型GaN層，Mg摻雜濃度5E+19。
[0101]步驟608、最后降溫至750°C，保溫30分鐘，接著爐內(nèi)冷卻。制得外延片樣品A。
[0102] 實(shí)施例4
[0103] 在本實(shí)施例中，利用本發(fā)明方法生長LED外延片。結(jié)合圖7所示，為本實(shí)施例基于有 源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的流程示意圖，具體步驟如下：
[0104] 步驟701、在1100 °C，反應(yīng)腔壓力維持在500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶石襯底6分 鐘。
[0105] 步驟702、降溫至550 °C下，反應(yīng)腔壓力維持在500t〇rr，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度 為20nm的低溫緩沖層GaN〇
[0106] 步驟703、升高溫度到1100°C下，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長3μπι的不摻 雜 GaN。
[0107] 步驟704、溫度控制在1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長4μπι的N型GaN， 其中，Si摻雜濃度為1E+19。
[0108] 步驟705、周期性生長12對(duì)InxGa(1-x)N/GaN有源層MQW。其中，靠近N型GaN的4個(gè)有源 層生長步驟為：反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為2.8nm的 InxGa(1-χ)Ν(χ = 0·015)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長厚度為10nm的GaN皇層； 中間4個(gè)有源層生長步驟為：反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為 3.0nm的In xGa(1-χ)Ν(χ = 0·015)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長厚度為10nm的 GaN皇層;靠近P型GaN的4個(gè)有源層生長步驟為:反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750 °C，生長厚度為3.2nm的In xGa(1-x)N(x = 0.015)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長 厚度為l〇nm的GaN皇層。
[0109] 步驟706、再升高溫度到900°C，反應(yīng)腔壓力維持在lOOtorr，持續(xù)生長40nm的P型 AlGaN層，其中，A1摻雜濃度2E+20，Mg摻雜濃度5E+18。
[0110] 步驟707、再升高溫度到950°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長200nm的摻鎂 的P型GaN層，Mg摻雜濃度5E+19。
[0111] 步驟708、最后降溫至750°C，保溫30分鐘，接著爐內(nèi)冷卻，制得外延片樣品B。
[0112] 實(shí)施例5
[0113] 在本實(shí)施例中，利用本發(fā)明方法生長LED外延片。結(jié)合圖8所示，為本實(shí)施例基于有 源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的流程示意圖，具體步驟如下：
[0114] 步驟801、在1100 °C，反應(yīng)腔壓力維持在500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶石襯底6分 鐘。
[0115] 步驟802、降溫至550 °C下，反應(yīng)腔壓力維持在500t〇rr，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度 為20nm的低溫緩沖層GaN〇
[0116] 步驟803、升高溫度到1100°C下，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長3μπι的不摻 雜 GaN。
[0117] 步驟804、溫度控制在1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長4μπι的N型GaN， 其中，Si摻雜濃度為1E+19。
[0118] 步驟805、周期性生長12對(duì)InxGa(1-x)N/GaN有源層MQW。其中，靠近N型GaN的4個(gè)有源 層生長步驟為：反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為3.0nm的 InxGa(1-χ)Ν(χ = 0·018)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長厚度為10nm的GaN皇層； 中間4個(gè)有源層生長步驟為：反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為 3.0nm的In xGa(1-χ)Ν(χ = 0·015)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長厚度為10nm的 GaN皇層;靠近P型GaN的4個(gè)有源層生長步驟為:反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750 °C，生長厚度為3. Onm的InxGa(1-x)N(x = 0.012)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長 厚度為l〇nm的GaN皇層。
[0119] 步驟806、再升高溫度到900°C，反應(yīng)腔壓力維持在lOOtorr，持續(xù)生長40nm的P型 AlGaN層，其中，A1摻雜濃度2E+20，Mg摻雜濃度5E+18。
[0120] 步驟807、再升高溫度到950°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長200nm的摻鎂 的P型GaN層，Mg摻雜濃度5E+19。
[0121] 步驟808、最后降溫至750°C，保溫30分鐘，接著爐內(nèi)冷卻，制得外延片樣品C。
[0122] 實(shí)施例6
[0123] 在本實(shí)施例中，利用本發(fā)明方法生長LED外延片。結(jié)合圖9所示，為本實(shí)施例基于有 源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法的流程示意圖，具體步驟如下：
[0124] 步驟901、在1100 °C，反應(yīng)腔壓力維持在500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶石襯底6分 鐘。
[0125] 步驟902、降溫至550 °C下，反應(yīng)腔壓力維持在500t〇rr，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度 為20nm的低溫緩沖層GaN〇
[0126] 步驟903、升高溫度到1100°C下，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長3μπι的不摻 雜 GaN。
[0127] 步驟904、溫度控制在1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長4μπι的N型GaN， 其中，Si摻雜濃度為1E+19。
[0128] 步驟905、周期性生長12對(duì)InxGa(1-x)N/GaN有源層MQW。其中，靠近N型GaN的4個(gè)有源 層生長步驟為：反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為2.8nm的 InxGa(1-χ)Ν(χ = 0·018)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長厚度為10nm的GaN皇層； 中間4個(gè)有源層生長步驟為：反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為 3.0應(yīng)的111必 (13)1^ = 0.015)阱層;然后升高溫度至820°(：，壓力不變，生長厚度為1011111的 GaN皇層;靠近P型GaN的4個(gè)有源層生長步驟為:反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750 °C，生長厚度為3.2nm的In xGa(1-x)N(x = 0.012)阱層;然后升高溫度至820°C，壓力不變，生長 厚度為l〇nm的GaN皇層。
[0129] 步驟906、再升高溫度到900°C，反應(yīng)腔壓力維持在lOOtorr，持續(xù)生長40nm的P型 AlGaN層，其中，A1摻雜濃度2E+20，Mg摻雜濃度5E+18。
[0130] 步驟907、再升高溫度到950°C，反應(yīng)腔壓力維持在200torr，持續(xù)生長200nm的摻鎂 的P型GaN層，Mg摻雜濃度5E+19。
[0131] 步驟908、最后降溫至750°C，保溫30分鐘，接著爐內(nèi)冷卻，制得外延片樣品D。
[0132] 實(shí)施例7
[0133] 在本實(shí)施例中，將上述實(shí)施例3、4、5、6中制得的外延片樣品A和樣品B、C、D在相同 芯片工藝條件下制作成芯片尺寸為254ym*685.8ym(10mil*27mil)、IT0層厚度約1100埃、 Cr/Pt/Au電極厚度約1200埃，Si02保護(hù)層的厚度約400埃的芯片a和b、c、d(外延片樣品A和 樣品B、C、D分別對(duì)應(yīng)芯片a和b、c、d)，使用同一臺(tái)芯片點(diǎn)測(cè)機(jī)測(cè)試上述芯片光電參數(shù)，測(cè)試 結(jié)果如表1所示。
[0134] 表1、傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)制備芯片與本發(fā)明實(shí)施例制備芯片的光電參數(shù)對(duì)比表 「01351
[0136] 從表1中可以看出，在150mA電流驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)方法制備的芯片樣品a和本發(fā)明實(shí)施 例4、5、6對(duì)應(yīng)的芯片樣品b、c、d的波長在450-450.5nm，HW在15-15.5nm，說明多量子阱能帶 優(yōu)化后對(duì)波長和半高寬沒有造成影響，適合大批量生產(chǎn)。通過本發(fā)明制備的LED芯片亮度平 均值在125mW以上，相比傳統(tǒng)芯片115mW的亮度有了 8.6 %的提升，說明本發(fā)明的多量子阱能 帶設(shè)計(jì)能夠有效地抑制電子泄露并增加了空穴的注入效率。
[0137] 通過以上各個(gè)實(shí)施例可知，本發(fā)明的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長 方法存在的有益效果是：
[0138] (1)本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，通過優(yōu)化量 子阱能帶分布改變電子空穴的迀移方式，降低電子泄露的同時(shí)增強(qiáng)了空穴的注入效率進(jìn)而 提升LED芯片的發(fā)光效率。
[0139] (2)本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，通過優(yōu)化量 子阱能帶分布改變電子空穴的迀移方式，降低電子泄露的同時(shí)增強(qiáng)了空穴的注入效率進(jìn)而 提升LED芯片的發(fā)光效率發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，通 過改變有源層的生長條件，使得靠近N型GaN的量子阱能帶低于靠近P型GaN的量子阱能帶或 靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度，降低了空穴在穿越皇層時(shí)的損 耗，從而提升了 LED芯片有源層MQW中空穴的注入。
[0140] (3)本發(fā)明所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，僅僅改變有 源層MQW的生長條件，生成N型GaN端量子阱能帶低于P型GaN端量子阱能帶的方式，操作簡(jiǎn) 便、可實(shí)施性強(qiáng)。
[0141] 本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、裝置、或計(jì)算機(jī)程序 產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí) 施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī) 可用存儲(chǔ)介質(zhì)（包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器、CD-ROM、光學(xué)存儲(chǔ)器等）上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn) 品的形式。
[0142] 雖然已經(jīng)通過例子對(duì)本發(fā)明的一些特定實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)該理解，以上例子僅是為了進(jìn)行說明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)該理解，可在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，對(duì)以上實(shí)施例進(jìn)行修改。本發(fā) 明的范圍由所附權(quán)利要求來限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，其特征在于，包括： 在1000-1300°c、反應(yīng)腔壓力維持在50-500torr的氫氣氣氛下處理藍(lán)寶石襯底5-10分 鐘； 在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為10_40nm的低溫緩沖層GaN; 持續(xù)生長2_4ym的不慘雜GaN層； 持續(xù)生長厚度為2-4μπι的N型GaN，其中，Si摻雜濃度為5E+18-2E+19; 反應(yīng)腔壓力維持在200-400torr，溫度控制在700-750°C，生長厚度為2.5-3.5nm的 InxGa(1-X)N 阱層，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 摻雜濃度為 1E+20 至 5E+20; 升高溫度至800_850°C，壓力維持在200-400torr，生長厚度為8-12nm的GaN皇層，周期 性生長10-15對(duì)InxGa(1-x)N阱層/GaN皇層形成有源層MQW;其中，通過改變量子阱的In摻雜 量、預(yù)鋪In或生長溫度使得靠近N型GaN的量子阱能帶低于靠近P型GaN的量子阱能帶；改變 生長時(shí)間或改變生長速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度； 持續(xù)生長20-60nm的P型AlGaN層，其中，Al的摻雜濃度lE+20-3E+20，Mg的摻雜濃度5E+ 18-1E+19； 持續(xù)生長100_300nm的摻鎂的P型GaN層，其中，Mg摻雜濃度1E+19-1E+20; 降溫至700-800°C，保溫20-30min后在爐內(nèi)冷卻。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，其特征在 于，所述周期性生長10-15對(duì)InxGau- X)N阱層/GaN皇層形成有源層MQW，包括： 反應(yīng)腔壓力維持在300torr，溫度控制在750°C，生長厚度為3.0nn^^InxGa(1- x)N(x = 〇. 015)阱層，其中，In摻雜濃度為3E+20; 升高溫度至820°C，壓力維持在300torr，生長厚度為IOnm的GaN皇層；周期性生長12對(duì) InxGa(i-x)N講層/GaN皇層形成有源層MQW。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，其特征在 于，所述在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為10_40nm的低溫緩沖層GaN，包括： 降溫至550-650°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為10-40nm的低溫緩沖層GaN04. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，其特征在 于，所述持續(xù)生長2_4μπι的不摻雜GaN層，包括： 升高溫度到l〇〇〇_1200°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長2-4μπι的不摻雜 GaN層。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，其特征在 于，所述持續(xù)生長厚度為2_4μπι的N型GaN，包括： 溫度在1000-1200°(：，反應(yīng)腔壓力維持在100-500丨〇燈，持續(xù)生長厚度為2-4以111的~型 GaN06. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，其特征在 于，所述持續(xù)生長20_60nm的P型AlGaN層，包括： 升高溫度到900-1000°C，反應(yīng)腔壓力維持在100-500torr，持續(xù)生長20-60nm的P型 AlGaN層。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源層提高發(fā)光二極管亮度的外延生長方法，其特征在 于，所述持續(xù)生長100_300nm的摻鎂的P型GaN層，包括： 升高溫度到930-950°C，反應(yīng)腔壓力維持在100_500torr，持續(xù)生長100-300nm的摻鎂的 P型GaN層。
【文檔編號(hào)】H01L33/32GK105932126SQ201610356762
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】農(nóng)明濤, 盧國軍, 顏建峰
【申請(qǐng)人】湘能華磊光電股份有限公司