一种降低位错密度的led外延片制作方法
阅读说明：本技术 一种降低位错密度的led外延片制作方法 (Manufacturing method of LED epitaxial wafer for reducing dislocation density ) 是由 徐平 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种降低位错密度的LED外延片制作方法,依次包括：处理衬底、生长低温GaN缓冲层、生长非掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长多量子阱层、生长AlGaN电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层,降温冷却,其中生长多量子阱层依次包括生长MQWs1以及生长MQWs2的步骤,所述生长MQWs1包括依次生长InGaN过渡层、蒸镀Al层、制作正三角形图形的SiO-(2)层、生长GaN过渡层的步骤,所述生长MQWs2包括2-8个周期性生长的In-(x)Ga-((1-x))N阱层和GaN垒层。本发明通过采用新的LED外延片制作方法来减少位错密度,并提升LED的内量子效率,同时减少波长蓝移。(The application discloses a method for manufacturing an LED epitaxial wafer for reducing dislocation density, which sequentially comprises the following steps: processing a substrate, growing a low-temperature GaN buffer layer, growing a non-doped GaN layer, growing an Si-doped N-type GaN layer, growing a multi-quantum well layer, growing an AlGaN electronic barrier layer, growing an Mg-doped P-type GaN layer, and cooling, wherein the growing of the multi-quantum well layer sequentially comprises the steps of growing MQWs1 and growing MQWs2, and the growing of the MQWs1 comprises sequentially growing an InGaN transition layer, an Al evaporation layer and manufacturing a regular triangle pattern of SiO 2 A step of growing a GaN transition layer, wherein the growth of MQWs2 comprises 2-8 periodical growthsIn (2) of x Ga (1‑x) An N well layer and a GaN barrier layer. The invention reduces the dislocation density by adopting a novel LED epitaxial wafer manufacturing method, improves the internal quantum efficiency of the LED and simultaneously reduces the blue shift of the wavelength.)
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体涉及一种降低位错密度的LED外延片制作方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当LED有电流流过时，LED中的电子与空穴在其多量子阱内复合而发出单色光。LED作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，除了目前已被广泛用作室内外照明，还被广泛应用于交通信号灯、汽车灯、室内外照明和显示屏。
当前的LED量子阱生长方法中，材料的位错密度较大，严重影响了LED的光电性能的提高，限制了LED芯片在显示屏等领域的高端应用。因此，急需研发新的LED外延片制作方法来减少材料的位错密度，提升LED的内量子效率，并减少波长蓝移。
发明内容
本发明通过采用新的LED外延片制作方法来减少位错密度，并提升LED的内量子效率，同时减少波长蓝移。
本发明的降低位错密度的LED外延片制作方法，依次包括：处理衬底、生长低温GaN缓冲层、生长非掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长多量子阱层、生长AlGaN电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层和降温冷却，
所述生长多量子阱层依次包括生长MQWs1和生长MQWs2；其中，
所述生长MQWs1包括依次生长InGaN过渡层、蒸镀Al层、制作正三角形图形的SiO2层、生长GaN过渡层，具体为：
将反应腔压力控制在300-320mbar，反应腔温度控制在700-720℃，通入NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3-5nm的InGaN过渡层；
将外延片从MOCVD反应腔中取出，放入电子束真空镀膜反应腔，在所述InGaN阱层上蒸镀120-140nm厚的Al单质薄膜；
将蒸镀有所述Al单质薄膜的外延片从电子束真空镀膜反应腔中取出，放入PECVD反应腔，在Al单质薄膜上面沉积130-160nm厚的SiO2薄膜；
将沉积有所述SiO2薄膜的外延片从PECVD反应腔中取出，然后采用光刻技术在SiO2薄膜的表面形成正三角形图形，接着采用化学湿法腐蚀的方法去除多余SiO2薄膜，在Al单质薄膜表面形成多个正三角形图形的SiO2薄膜层，所述正三角形的边长为800-900nm，相邻两个正三角形中心的距离为1200-1300nm；
将表面形成有正三角形图形的SiO2薄膜层的外延片放入MOCVD反应腔，控制反应腔温度在720-750℃，通入NH3、TMGa及H2，在外延片上表面生长5-7nm的GaN过渡层，生长过程中控制反应腔压力从520mbar渐变增加至600mbar，且控制镓原子与氮原子的摩尔比从1.2：1渐变减少至0.8：1；
所述生长MQWs2包括2-8个周期性生长的InxGa(1-x)N阱层和GaN垒层，具体为：
将反应腔压力控制在300-320mbar，降低反应腔温度至620℃-640℃，通入N2、NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3nm-4nm的所述InxGa(1-x)N阱层，其中，x＝0.15-0.25；
控制反应腔压力不变，升高反应腔温度至800℃-820℃，通入N2、NH3、TMGa，生长厚度为8nm-10nm的GaN垒层；
周期性依次进行生长InxGa(1-x)N阱层和GaN垒层的步骤，周期数为2-8个。
优选地，所述处理衬底的具体过程为：
在1000℃-1100℃的温度下，通入100-130L/min的H2，保持反应腔压力100-300mbar，处理蓝宝石衬底5-10min。
优选地，所述生长低温GaN缓冲层的具体过程为：
降温至500-600℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa及100-130L/min的H2，在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温GaN缓冲层；
升高温度到1000-1100℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3和100-130L/min的H2，保温300-500s，将低温GaN缓冲层腐蚀成不规则岛形。
优选地，所述生长非掺杂GaN层的具体过程为：
升高温度到1000-1200℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa及100-130L/min的H2，持续生长2-4μm的非掺杂GaN层。
优选地，所述生长掺杂Si的GaN层的具体过程为：
保持反应腔压力300-600mbar，保持温度1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2及20-50sccm的SiH4，持续生长3m-4μm掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18-5E19atoms/cm3。
优选地，所述生长AlGaN电子阻挡层的具体过程为：
在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层，所述AlGaN层的厚度为40-60nm，其中，Mg掺杂的浓度为1E19-1E20atoms/cm3。
优选地，所述生长掺杂Mg的P型GaN层的具体过程为：
保持反应腔压力400-900mbar、温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2及1000-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50-200nm的掺杂Mg的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm3。
优选地，所述降温冷却的具体过程为：
降温至650-680℃，保温20-30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
相比于传统的生长方法，本发明中的降低位错密度的LED外延片制作方法达到了如下效果：
本发明通过在多量子阱中先引入InGaN过渡层、Al层、正三角形图形的SiO2层，再在高压渐变条件下生长GaN过渡层，能够大幅度降低量子阱层的位错密度。一方面，生长GaN过渡层时，贯穿正三角形图形SiO2层区域的位错将会沿着晶面方向弯曲，从而增加了位错湮灭的机会，降低了GaN薄膜的位错密度；另一方面，正三角形图形的SiO2层也阻挡了位错传播到其上区域的GaN过渡层以及多量子阱层，从而使整个多量子阱层中的位错密度大幅度降低。
另外，通过采用高压渐变的条件生长GaN过渡层，且控制镓原子与氮原子的摩尔比从1.2：1渐变减少至0.8：1，可以促使Ga原子集合和N原子集合的质心重合，从而形成偶极子，在GaN过渡层材料内部产生自发极化，形成内建电场，该内建电场将促进量子阱中载流子的注入，减少量子限制斯塔克效应，使得能带平滑，从而可以提升内量子效率，还可以减少波长蓝移。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明方法制备的LED外延的结构示意图；
图2为现有传统方法制备的LED外延的结构示意图；
其中，1、蓝宝石衬底，2、低温GaN缓冲层，3、非掺杂GaN层，4、N型GaN层，5、多量子阱层，6、AlGaN电子阻挡层，7、P型GaN层，51、InGaN过渡层，52、Al层，53、SiO2薄膜层53，54、GaN过渡层，55、InxGa(1-x)N阱层，56、GaN垒层。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。
以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。
实施例1
本实施例采用本发明提供的降低位错密度的LED外延片制作方法，采用MOCVD来生长GaN基LED外延片，采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，反应压力在70mbar到600mbar之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图1)：
一种降低位错密度的LED外延片制作方法，依次包括：处理蓝宝石衬底1、生长低温GaN缓冲层2、生长非掺杂GaN层3、生长掺杂Si的N型GaN层4、生长多量子阱层5、生长AlGaN电子阻挡层6、生长掺杂Mg的P型GaN层7，降温冷却；其中，
步骤1：处理蓝宝石衬底1。
具体地，所述步骤1，进一步为：
在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130L/min的H2的条件下，处理蓝宝石衬底5-10分钟。
步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。
具体地，所述步骤2，进一步为：
在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2的条件下，在所述蓝宝石衬底1上生长所述低温GaN缓冲层2，所述低温GaN缓冲层2的厚度为20-40nm；
在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3和100-130L/min的H2的条件下，保温300-500s，在所述低温GaN缓冲层2上形成所述不规则小岛。
步骤3：生长非掺杂GaN层3。
具体地，所述步骤3，进一步为：
在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa及100-130L/min的H2的条件下，生长的所述非掺杂GaN层3；所述非掺杂GaN层3的厚度为2-4μm。
步骤4：生长Si掺杂的N型GaN层4。
具体地，所述步骤4，进一步为：
保持反应腔压力300-600mbar，保持温度1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2及20-50sccm的SiH4，持续生长3-4μm掺杂Si的N型GaN层4，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atoms/cm3。
步骤5：生长多量子阱层5。
所述生长多量子阱层依次包括生长MQWs1和生长MQWs2；其中，
所述生长MQWs1包括依次生长InGaN过渡层51、蒸镀Al层52、制作正三角形图形的SiO2层53、生长GaN过渡层54，具体为：
将反应腔压力控制在300-320mbar，反应腔温度控制在700-720℃，通入NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3-5nm的InGaN过渡层51；
将外延片从MOCVD反应腔中取出，放入电子束真空镀膜反应腔，在所述InGaN阱层51上蒸镀120-140nm厚的Al单质薄膜52；
将蒸镀有所述Al单质薄膜52的外延片从电子束真空镀膜反应腔中取出，放入PECVD反应腔，在Al单质薄膜51上面沉积130-160nm厚的SiO2薄膜53；
将沉积有所述SiO2薄膜53的外延片从PECVD反应腔中取出，然后采用光刻技术在SiO2薄膜53的表面形成正三角形图形，接着采用化学湿法腐蚀的方法去除多余SiO2薄膜，在Al单质薄膜52表面形成多个正三角形图形的SiO2薄膜层53，所述正三角形的边长为800-900nm，相邻两个正三角形中心的距离为1200-1300nm；
将表面形成有正三角形图形的SiO2薄膜层53的外延片放入MOCVD反应腔，控制反应腔温度在720-750℃，通入NH3、TMGa及H2，在外延片上表面生长5-7nm的GaN过渡层54，生长过程中控制反应腔压力从520mbar渐变增加至600mbar，且控制镓原子与氮原子的摩尔比从1.2：1渐变减少至0.8：1；
所述生长MQWs2包括2-8个周期性生长的InxGa(1-x)N阱层55和GaN垒层56，具体为：
将反应腔压力控制在300-320mbar，降低反应腔温度至620℃-640℃，通入N2、NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3nm-4nm的所述InxGa(1-x)N阱层55，其中，x＝0.15-0.25；
控制反应腔压力不变，升高反应腔温度至800℃-820℃，通入N2、NH3、TMGa，生长厚度为8nm-10nm的GaN垒层56；
周期性依次进行生长InxGa(1-x)N阱层55和GaN垒层56的步骤，周期数为2-8个。
步骤6：生长AlGaN电子阻挡层6。
具体地，所述步骤6，进一步为：
在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl和1000-1300sccm的Cp2Mg的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层6，所述AlGaN层6的厚度为40-60nm，其中，Mg掺杂的浓度为1E19-1E20atoms/cm3。
步骤7：生长掺杂Mg的P型GaN层7。
具体地，所述步骤7，进一步为：
在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2、1000-3000sccm的Cp2Mg的条件下，生长厚度为50-200nm的掺杂Mg的P型GaN层7，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm3。
步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
实施例2
以下提供对比实施例，即传统LED外延结构的生长方法(外延结构请参考图2)。
步骤1：在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130L/min的H2的条件下，处理蓝宝石衬底5-10分钟。
步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。
具体地，所述步骤2，进一步为：
在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2的条件下，在所述蓝宝石衬底1上生长所述低温GaN缓冲层2，所述低温GaN缓冲层2的厚度为20-40nm；
在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3、100-130L/min的H2的条件下，保温300-500s，在所述低温GaN缓冲层2上形成所述不规则小岛。
步骤3：生长非掺杂GaN层3。
具体地，所述步骤3，进一步为：
在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa及100-130L/min的H2的条件下，生长的所述非掺杂GaN层；所述非掺杂GaN层3的厚度为2-4μm。
步骤4：生长Si掺杂的N型GaN层4。
具体地，所述步骤4，进一步为：
在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2、20-50sccm的SiH4的条件下，生长Si掺杂的N型GaN层4，所述N型GaN层4的厚度为3-4μm，Si掺杂的浓度为5E18-1E19atoms/cm3。
步骤5：生长InGaN/GaN多量子阱层5。
具体地，所述生长多量子阱层5，进一步为：
保持反应腔压力300-400mbar、保持温度720℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、10000-15000sccm的TMIn及100-130L/min的N2，生长掺杂In的厚度为3nm的InxGa(1-x)N阱层55，其中，x＝0.15-0.25；
升高温度至800℃，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa及100-130L/min的N2，生长10nm的GaN垒层56；
重复交替生长InxGa(1-x)N阱层55和GaN垒层56，得到InGaN/GaN多量子阱发光层，其中，InxGa(1-x)N阱层55和GaN垒层56的交替生长周期数为7-13个。
步骤6：生长AlGaN电子阻挡层6。
具体地，所述步骤6，进一步为：
在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层6，所述AlGaN层6的厚度为40-60nm，其中，Mg掺杂的浓度为1E19-1E20atoms/cm3。
步骤7：生长掺杂Mg的P型GaN层7。
具体地，所述步骤7，进一步为：
在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2、1000-3000sccm的Cp2Mg的条件下，生长厚度为50-200nm的掺杂Mg的P型GaN层7，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm3。
步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
根据上述实施例1和实施例2分别制得样品1和样品2，样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500nm，相同的条件下镀保护层SiO2约100nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片颗粒，之后将样品1和样品2在相同位置各自挑选1000颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能。
表1样品1和样品2的电性参数比较结果
将积分球获得的数据进行分析对比，从表1中可以看出，采用本发明提供的LED芯片制作方法制备的LED(样品1)发光效率得到明显提升，并且波长蓝移量更小，抗静电能力更强，这是因为本专利采用了新的量子阱生长技术方案，减少了材料的位错密度，并提升LED的内量子效率，同时减少了波长蓝移。
本发明的降低位错密度的LED外延片制作方法达到了如下效果：
本发明通过在多量子阱中先引入InGaN过渡层、Al层、正三角形图形的SiO2层，再在高压渐变条件下生长GaN过渡层，能够大幅度降低量子阱层的位错密度。一方面，生长GaN过渡层时，贯穿正三角形图形SiO2层区域的位错将会沿着晶面方向弯曲，从而增加了位错湮灭的机会，降低了GaN薄膜的位错密度；另一方面，正三角形图形的SiO2层也阻挡了位错传播到其上区域的GaN过渡层以及多量子阱层，从而使整个多量子阱层中的位错密度大幅度降低。
另外，通过采用高压渐变的条件生长GaN过渡层，且控制镓原子与氮原子的摩尔比从1.2：1渐变减少至0.8：1，可以促使Ga原子集合和N原子集合的质心重合，从而形成偶极子，在GaN过渡层材料内部产生自发极化，形成内建电场，该内建电场将促进量子阱中载流子的注入，减少量子限制斯塔克效应，使得能带平滑，从而可以提升内量子效率，还可以减少波长蓝移。
由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
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