一种提高氮化镓基发光二极管发光效率的沟道层技术生长方法

摘要

本发明提供一种提高氮化镓基发光二极管发光效率的沟道层技术生长方法，其LED外延结构，从下向上的顺序依次包括：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、沟道层A、N型GaN层、沟道层B、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层，本发明通过沟道层A、沟道层B的插入，一方面沟道层A可以有效的限制外延层与衬底之间由于晶格失配产生的位错，减少外延层的缺陷密度，提高外延层质量；另一方面，沟道层B可以扩展电流，缓解静电对GaN基LED的冲击，提高LED对静电的耐受能力，并且可以使电子更有效均匀的进入量子阱中，增加电子在量子阱中的注入效率，从而提高GaN基LED的发光效率。

说明书

技术领域

本发明涉及Ⅲ族氮化物材料制备技术领域，具体为一种提高氮化镓基发光二极管发光效率的沟道层技术生长方法。

背景技术

发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出各种颜色的光。

以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能。其三元合金铟镓氮（InGaN）带隙从0.7eV氮化铟（InN）到3.4eV氮化镓（GaN）连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的发光二极管具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被认为是最有潜力进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。

GaN材料绝大多数是以蓝宝石为衬底进行外延生长，这样由于蓝宝石与GaN基材料之间存在较大的晶格失配度和较大的热膨胀系数差异，因此外延生长过程中外延层内存在高密度的缺陷。另外，常规的GaN基LED芯片的P型电极和n型电极是位于同一侧的，芯片发光时存在电流密度分布不均匀性，发光区域分布不均匀性等一系列问题出现。上述因素还会导致常规GaN基LED芯片的抗静电能力差，静电放电会造成LED器件突发性失效或潜在性失效。因此，优化GaN及LED外延层结构，提高电流密度均匀性、发光区域分布均匀性、抗静电能力就尤为重要。

传统LED外延结构中，虽然N-AlGaN层有所介绍，但是传统的N-AlGaN都集中在N-GaN层附近插入的N-AlGaN单层，在N-GaN层插入的单层N-AlGaN层已经远远不能满足现行的中大功率LED芯片要求，导致芯片的抗静电能力差，电流密度分布不均匀、发光区域分布不均匀。特别是最近在国内少数单位开始兴起的逐渐向大尺寸（4英寸外延技术）外延技术发展，外延的尺寸越大，其在外延过程中外延片的电性均匀性受到很大影响，从传统的结构已经不能满足大尺寸外延抗静电能力、发光区域分布等要求。

鉴于此，有必要提供一种能够克服上述缺点的新型具有沟道层的技术及外延生长方法。

发明内容

    本发明所解决的技术问题在于提供一种提高氮化镓基发光二极管发光效率的沟道层技术生长方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种提高氮化镓基发光二极管发光效率的沟道层技术生长方法，其LED外延结构，从下向上的顺序依次包括：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、沟道层A、N型GaN层、沟道层B、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层，其LED外延结构的生长方法，包括以下具体步骤：

步骤一，将衬底在1000-1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理；

步骤二，将温度下降到500-650℃之间，生长厚度为20-30nm的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300-760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为500-3200；

步骤三，所述低温GaN缓冲层生长结束后，停止通入三甲基镓（TMGa），衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5-30min，退火之后，将温度调节至1000-1200℃之间，外延生长厚度为0.5-2μm的GaN非掺杂层，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-3000；

步骤四，所述低温GaN非掺杂层生长结束后，将温度调节至900-1100℃之间，通入三甲基镓（TMGa）并同时通入三甲基铝（TMAl）生长沟道层A，Al_xGa_1-xN (0<x<1) 沟道层A中Al的摩尔组分含量控制在5%-30%之间；

步骤五，所述沟道层A生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层，厚度为1.2-4.2μm，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-3000；

步骤六，所述N型GaN层生长结束后，将温度再调节至900-1100℃之间，通入三甲基镓（TMGa）并三甲基铝（TMAl）流量为0时停顿0-2min，且从0开始渐变方式通入三甲基铝（TMAl）生长沟道层B，依此为单个循环；循环数目Loop数控制在1-5个Loop数之间，Al_xGa_1-xN (0<x<1) 沟道层B中Al的摩尔组分含量控制在5%-30%之间，生长沟道层B厚度和Al的摩尔组分含量控制与沟道层A略有不同；

步骤七，所述沟道层B生长结束后，生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层由2-15个周期的InGaN/GaN多量子阱组成，1个周期的InGaN/GaN量子阱厚度在2-5nm之间，生长温度为720-920℃，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤八，所述多量子阱有源层生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层，生长温度在620-820℃之间，生长时间为5-35min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤九，所述低温P型GaN层生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层，生长温度在900-1100℃之间，生长时间为5-15min，压力在50-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为1000-20000，P型AlGaN层8中Al的摩尔组分含量控制在10%-30%之间；

步骤十，所述P型AlGaN层生长结束后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层，生长温度在850-950℃之间，生长时间为5-30min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤十一，外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃之间，采用纯氮气气氛进行退火处理2-15min，然后降至室温，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

所述沟道层技术生长方法以高纯氢气（H₂）或氮气（N₂）作为载气，以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH₃）分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷（SiH₄）和二茂镁（CP₂Mg）分别作为N、P型掺杂剂。

与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明通过沟道层A、沟道层B的插入，一方面沟道层A可以有效的限制外延层与衬底之间由于晶格失配产生的位错，减少外延层的缺陷密度，提高外延层质量；另一方面，沟道层B可以扩展电流，缓解静电对GaN基LED的冲击，提高LED对静电的耐受能力，并且可以使电子更有效均匀的进入量子阱中，增加电子在量子阱中的注入效率，从而提高GaN基LED的发光效率。

附图说明

图1为本发明的LED外延结构示意图。

图2为本发明的在生长沟道层A、N型GaN层、沟道层B三层时两种源的通入方式。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种提高氮化镓基LED发光效率的外延结构的生长方法，其LED外延结构，从下向上的顺序依次包括：衬底-1、低温GaN缓冲层-2、GaN非掺杂层-3、沟道层A-4、N型GaN层-5、沟道层B-6、多量子阱有源层-7、低温P型GaN层-8、P型AlGaN层-9、高温P型GaN层-10，其LED外延结构生长方法包括以下具体步骤：

步骤一，将衬底-1在1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理20min，然后进行氮化处理，衬底1是适合GaN基半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN和碳化硅（SiC）单晶等；不限于蓝宝石图形衬底，其图形底部尺寸为0.5-5um,图形间距为0.3-3um，图形高度为0.5-3um。图形顶部没有平台，且图形呈半球形。

步骤二，将温度下降到500-650℃之间，生长厚度为30nm的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300-760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为3200；

步骤三，所述低温GaN缓冲层-2生长结束后，停止通入三甲基镓（TMGa），衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5-30min，退火之后，将温度调节至1200℃，外延生长厚度为0.5-2μm的GaN非掺杂层-3，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-3000；

步骤四，所述低温GaN非掺杂层-3生长结束后，将温度调节至1100℃，通入三甲基镓（TMGa）并同时通入三甲基铝（TMAl）生长沟道层A-4。Al_xGa_1-xN (0<x<1) 沟道层A-4中Al的摩尔组分含量控制在5%-30%之间。

步骤五，所述沟道层A-4生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层-5，厚度为1.2-4.2μm，生长温度为1200℃，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-3000；

步骤六，所述N型GaN层-5生长结束后，将温度再调节至1100℃，通入三甲基镓（TMGa）并三甲基铝（TMAl）流量为0时停顿0-2min，且从0开始渐变方式通入三甲基铝（TMAl）生长沟道层B-6，依此为单个循环。循环数目Loop数控制在1-5个Loop数之间，Al_xGa_1-xN (0<x<1) 沟道层B-6中Al的摩尔组分含量控制在5%-30%之间，生长沟道层B-6厚度和Al的摩尔组分含量控制与沟道层A-4略有不同。

步骤七，所述沟道层B-6生长结束后，生长多量子阱有源层-7，所述多量子阱有源层-7由2-15个周期的InGaN/GaN多量子阱组成，1个周期的InGaN/GaN量子阱厚度在2-5nm之间，生长温度为920℃，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤八，所述多量子阱有源层-7生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层-8，生长温度为820℃，生长时间为5-35min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤九，所述低温P型GaN层-8生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层-9，生长温度为1100℃，生长时间为5-15min，压力在50-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为1000-20000，P型AlGaN层8中Al的摩尔组分含量控制在10%-30%之间；

步骤十，所述P型AlGaN层-9生长结束后，生长厚度为800nm的高温P型GaN层-10，生长温度为950℃，生长时间为5-30min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤十一，外延生长结束后，将反应室的温度降至800℃，采用纯氮气气氛进行退火处理2-15min，然后降至室温，即得如图1所示的LED外延结构。

随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

实施例2

一种提高氮化镓基LED发光效率的外延结构的生长方法，其LED外延结构，从下向上的顺序依次包括：衬底-1、低温GaN缓冲层-2、GaN非掺杂层-3、沟道层A-4、N型GaN层-5、沟道层B-6、多量子阱有源层-7、低温P型GaN层-8、P型AlGaN层-9、高温P型GaN层-10，其LED外延结构生长方法包括以下具体步骤：

步骤一，将衬底-1在1000℃氢气气氛里进行高温清洁处理5min，然后进行氮化处理，衬底1是适合GaN基半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN和碳化硅（SiC）单晶等；不限于蓝宝石图形衬底，其图形底部尺寸为0.5-5um,图形间距为0.3-3um，图形高度为0.5-3um。图形顶部没有平台，且图形呈半球形。

步骤二，将温度下降到500℃，生长厚度为20nm的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300-760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为500-3200；

步骤三，所述低温GaN缓冲层-2生长结束后，停止通入三甲基镓（TMGa），衬底温度升高至900℃，对所述低温GaN缓冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5-30min，退火之后，将温度调节至1000℃，外延生长厚度为0.5-2μm的GaN非掺杂层-3，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-3000；

步骤四，所述低温GaN非掺杂层-3生长结束后，将温度调节至900-1100℃之间，通入三甲基镓（TMGa）并同时通入三甲基铝（TMAl）生长沟道层A-4。Al_xGa_1-xN (0<x<1) 沟道层A-4中Al的摩尔组分含量控制在5%-30%之间。

步骤五，所述沟道层A-4生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层-5，厚度为1.2-4.2μm，生长温度为1000℃，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-3000；

步骤六，所述N型GaN层-5生长结束后，将温度再调节至900℃，通入三甲基镓（TMGa）并三甲基铝（TMAl）流量为0时停顿0-2min，且从0开始渐变方式通入三甲基铝（TMAl）生长沟道层B-6，依此为单个循环。循环数目Loop数控制在1-5个Loop数之间，Al_xGa_1-xN (0<x<1) 沟道层B-6中Al的摩尔组分含量控制在5%-30%之间，生长沟道层B-6厚度和Al的摩尔组分含量控制与沟道层A-4略有不同。

步骤七，所述沟道层B-6生长结束后，生长多量子阱有源层-7，所述多量子阱有源层-7由2-15个周期的InGaN/GaN多量子阱组成，1个周期的InGaN/GaN量子阱厚度在2-5nm之间，生长温度为720℃，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤八，所述多量子阱有源层-7生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层-8，生长温度为620℃，生长时间为5-35min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤九，所述低温P型GaN层-8生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层-9，生长温度为900℃，生长时间为5-15min，压力在50-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为1000-20000，P型AlGaN层8中Al的摩尔组分含量控制在10%-30%之间；

步骤十，所述P型AlGaN层-9生长结束后，生长厚度为100nm的高温P型GaN层-10，生长温度为850℃之间，生长时间为5-30min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤十一，外延生长结束后，将反应室的温度降至650℃，采用纯氮气气氛进行退火处理2-15min，然后降至室温，即得如图1所示的LED外延结构。

随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。