LED的ALN缓冲层及其外延生长方法

摘要

本发明公开了一种LED的ALN缓冲层及其外延生长方法，包括：生长AlN‑1薄膜层、冷却蓝宝石衬底、生长AlN‑2薄膜层、生长掺杂Si的n‑GaN层、生长发光层、生长p型AlGaN层、生长高温p型GaN层、降温冷却；其中，生长AlN‑1薄膜层为：将蓝宝石衬底放入磁控溅射反应设备加热到650℃，通入Ar、N

说明书

技术领域

本发明涉及LED外延设计应用技术领域，更具体地，涉及一种LED的ALN缓冲层及其外延生长方法。

背景技术

目前LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固体照明，体积小、耗电量低使用寿命长高亮度、环保、坚固耐用等优点受到广大消费者认可，国内生产LED的规模也在逐步扩大；市场上对LED产品性能的需求与日俱增，如何生长更质量好的外延层一直是LED行业的焦点问题，因为外延层晶体质量的提高，LED器件的性能可以等到提升，LED的寿命、抗老化能力、抗静电能力、稳定性会随着外延层晶体质量的提升而提升。

GaN作为直接带隙半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度快等优点，被广泛应用于发光二极管(LED)。蓝宝石是现阶段工业生长GaN基LED的最普遍的衬底材料。然而，由于GaN和蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，很难直接在异质衬底上生长高质量的GaN单晶薄膜。

传统的做法是采用低温缓冲层，通过调整蓝宝石衬底的氮化、低温缓冲层的生长温度、低温缓冲层的厚度等，来提高GaN外延层的晶体质量。但是，由于低温缓冲层还是属于异质外延，存在无法有效的抑制热失配引起的位错等缺陷，如何提升晶体质量是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种LED的ALN缓冲层及其外延生长方法，以提高晶体质量，利于上层外延结构的生长。

本发明提供了一种LED的ALN缓冲层及其外延生长方法，包括：

生长AlN-1薄膜层、冷却蓝宝石衬底、生长AlN-2薄膜层、生长掺杂Si的n-GaN层、生长发光层、生长p型AlGaN层、生长高温p型GaN层、降温冷却；其中，

生长AlN-1薄膜层，具体为：

将蓝宝石衬底放入磁控溅射反应设备中，把蓝宝石衬底加热到650℃，通入30sccm的Ar、120sccm的N₂、以及1sccm的O₂，控制溅射偏压由3000V减少至2200V，设定靶基距为3-4cm，在蓝宝石衬底表面溅射厚度为15-20nm的AlN-1薄膜层；

生长AlN-2薄膜层，具体为：

将生长有AlN-1薄膜层的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，控制温度由850℃逐渐增加至950℃，保持反应腔压力在250mbar，通入80L/min的H₂、90L/min的NH₃、220sccm的TMAl源，在AlN-1薄膜层表面生长厚度为15-20nm的AlN-2薄膜层。

优选的，AlN-1薄膜层与AlN-2薄膜层的厚度相同。

优选的，生长掺杂Si的n-GaN层，具体为：

保持反应腔压力150mbar-300mbar，保持温度1000℃-1100℃，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa、50L/min-90L/min的H₂及20sccm-50sccm的SiH₄，持续生长2μm-4μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

优选的，生长发光层，具体为：

保持反应腔压力在300-400mbar，保持温度700-750℃，通入40L/min-60L/min的NH₃、10-50sccm的TEGa，1000sccm-2000sccm的TMIn及50L/min-90L/min的N₂，生长掺杂In的3nm-4nm的In_yGa_(1-y)N层，其中In掺杂浓度为1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³；

其中，y＝0.15-0.25；

升高温度至800℃-850℃，保持反应腔压力在300mbar-400mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，生长10nm-15nm的GaN层；

重复In_yGa_(1-y)N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长In_yGa_(1-y)N/GaN发光层，交替生长周期数为10-15个。

优选的，生长p型AlGaN层，具体为：

保持温度为850℃-950℃，保持反应腔压力在200mbar-400mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

优选的，生长高温p型GaN层，具体为：

保持温度为950℃-1000℃，保持反应腔压力在200mbar-600mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，持续生长厚度为100nm-300nm的掺Mg的高温P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

优选的，降温冷却，具体为：

降温至700℃-800℃，单独通入100L/min-150L/min的N₂，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

与现有技术相比，本发明提供的LED的ALN缓冲层及其外延生长方法，至少实现了如下的有益效果：

通过利用磁控溅射反应设备与MOCVD设备，在蓝宝石衬底上生长AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层，可以改善蓝宝石衬底与GaN晶格失配诱发缺陷的异质外延生长难题，进一步抑制位错，减少材料缺陷，提高外延晶体质量，提升GaN基LED器件材料的晶体质量和光电性能。

并且，通过采用磁控溅射法与MOCVD方法，分两个步骤生长AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层，通过各工艺参数的严密配合，能够使AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层晶粒均匀、细小，粗糙度小，表面平整，内部缺陷小，AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层整体质量高。

除此之外，本发明提供的LED的ALN缓冲层及其外延生长方法所制作的LED中，AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层的界面更清晰和平整，其反射效率更高，因而LED的亮度更高。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明LED的ALN缓冲层及其外延生长方法的流程图；

图2为本发明实施例1和实施例2中LED外延层的结构示意图；

图3为对比实施例中LED外延层的结构示意图。

其中，01：蓝宝石衬底；021：AlN-1薄膜层；022：AlN-2薄膜层；03：掺杂Si的n-GaN层；04：发光层；05：p型AlGaN层；06：高温p型GaN层；2：GaN低温缓冲层；3：3D的GaN层；4：2D的GaN层。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1

本发明利用磁控溅射反应设备在蓝宝石衬底上制备AlN缓冲层，以纯度为5.5N的金属铝(Al)作为靶材，以氦气(Ar)、氮气(N₂)和氧气(O₂)为反应气体，溅射偏压设置为3000V。采用MOCVD设备制备GaN基LED外延片，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)作为Ga、In、Al及N的来源，以硅烷(SiH₄)和二茂镁(Cp2Mg)作为n型与p型的掺杂源。具体生长方式如下：

请参考图1和图2，一种LED的ALN缓冲层及其外延生长方法，包括：

生长AlN-1薄膜层、冷却蓝宝石衬底、生长AlN-2薄膜层、生长掺杂Si的n-GaN层、生长发光层、生长p型AlGaN层、生长高温p型GaN层、降温冷却；其中，

生长AlN-1薄膜层，具体为：

将蓝宝石衬底放入磁控溅射反应设备中，把蓝宝石衬底加热到650℃，通入30sccm的Ar、120sccm的N₂、以及1sccm的O₂，控制溅射偏压由3000V减少至2200V，设定靶基距为3-4cm，在蓝宝石衬底表面溅射厚度为15-20nm的AlN-1薄膜层；

生长AlN-2薄膜层，具体为：

将生长有AlN-1薄膜层的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，升控制温度由850℃逐渐增加至950℃，保持反应腔压力在250mbar，通入80L/min的H₂、90L/min的NH₃、220sccm的TMAl源，在AlN-1薄膜层表面生长厚度为15-20nm的AlN-2薄膜层。

本实施例中，在生长AlN-1薄膜层的过程中，控制控制溅射偏压由3000V逐渐减少至2200V，可以使气体分子的平均自由程增加，从而等离子体放电过程中产生的高能粒子的能量损失较小，到达基片表面的粒子有足够的能量实现AlN-1薄膜层晶面的择优生长，使薄膜层的取向度提高，进而提高AlN-1薄膜层的生长质量。

靶基距设定为3-4cm，如果靶基距大于4cm，会造成Al、N粒子之间相互碰撞过多，使得粒子在到达基片表面时的能量较小而形成非晶薄膜，从而降低AlN-1薄膜层晶体质量。如果靶基距小于3cm，会导致AlN-1薄膜层表面粗糙，甚至无法起辉产生等离子体。

在生长AlN-2薄膜层的过程中，通过控制反应温度由850℃增加至950℃，可以提高反应系统内的粒子能量，同时使得基片表面吸附的原子流动性增强，表面扩散能力强，晶面形核密度大，有利于AlN-2薄膜层晶面的生长，提高AlN-2薄膜层的质量。

本实施例中，通过采用磁控溅射法与MOCVD方法，在蓝宝石衬底上生长AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层，可以改善蓝宝石衬底与GaN晶格失配诱发缺陷的异质外延生长难题，进一步抑制位错，减少材料缺陷，提高外延晶体质量，提升GaN基LED器件材料的晶体质量和光电性能。

并且，分两个步骤生长AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层，通过各工艺参数的严密配合，能够使AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层晶粒均匀、细小，粗糙度小，表面平整，内部缺陷小，AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层整体质量高。

除此之外，由于AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层的界面更清晰和平整，其反射效率更高，因而LED的亮度更高。

实施例2

步骤10：生长AlN-1薄膜层，具体为：

将蓝宝石衬底放入磁控溅射反应设备中，把蓝宝石衬底加热到650℃，通入30sccm的Ar、120sccm的N₂、以及1sccm的O₂，控制溅射偏压由3000V减少至2200V，设定靶基距为3-4cm，在蓝宝石衬底表面溅射厚度为15-20nm的AlN-1薄膜层；

步骤20：冷却蓝宝石衬底；例如冷却10分钟。

步骤30：生长AlN-2薄膜层，具体为：

将生长有AlN-1薄膜层的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，控制温度由850℃逐渐增加至950℃，保持反应腔压力在250mbar，通入80L/min的H₂、90L/min的NH₃、220sccm的TMAl源，在AlN-1薄膜层表面生长厚度为15-20nm的AlN-2薄膜层。

优选的，AlN-1薄膜层与AlN-2薄膜层的厚度相同。

步骤40：生长掺杂Si的n-GaN层，具体为：

保持反应腔压力150mbar-300mbar，保持温度1000℃-1100℃，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa、50L/min-90L/min的H₂及20sccm-50sccm的SiH₄，持续生长2μm-4μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

步骤50：生长发光层，具体为：

保持反应腔压力在300-400mbar，保持温度700-750℃，通入40L/min-60L/min的NH₃、10-50sccm的TEGa，1000sccm-2000sccm的TMIn及50L/min-90L/min的N₂，生长掺杂In的3nm-4nm的In_yGa_(1-y)N层，其中In掺杂浓度为1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³；

其中，y＝0.15-0.25；

升高温度至800℃-850℃，保持反应腔压力在300mbar-400mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，生长10nm-15nm的GaN层；

重复In_yGa_(1-y)N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长In_yGa_(1-y)N/GaN发光层，交替生长周期数为10-15个。

步骤60：生长p型AlGaN层，具体为：

保持温度为850℃-950℃，保持反应腔压力在200mbar-400mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

步骤70：生长高温p型GaN层，具体为：

保持温度为950℃-1000℃，保持反应腔压力在200mbar-600mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，持续生长厚度为100nm-300nm的掺Mg的高温P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

步骤80：降温冷却，具体为：

降温至700℃-800℃，单独通入100L/min-150L/min的N₂，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

本实施例中，通过步骤10，生长AlN-1薄膜层，冷却蓝宝石衬底后，在步骤30中，生长AlN-2薄膜层，可以改善蓝宝石衬底与GaN晶格失配诱发缺陷的异质外延生长难题，进一步抑制位错，减少材料缺陷，提高外延晶体质量，提升GaN基LED器件材料的晶体质量和光电性能。

并且，分步骤10和步骤30分别生长AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层，通过各工艺参数的严密配合，能够使AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层晶粒均匀、细小，粗糙度小，表面平整，内部缺陷小，AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层整体质量高。由于AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层的界面更清晰和平整，其反射效率更高，因而可以得到亮度更高的LED。

实施例3

以下提供一种常规LED生长方法作为本发明的对比实施例。

常规LED外延的生长方法为(外延层结构参见图3)：

步骤1、处理蓝宝石衬底：向放置有蓝宝石衬底的金属有机化学气相沉积系统的反应腔内，在900℃-1100℃的H₂气氛下，通入50L/min-100L/min的H₂，保持反应腔压力100mbar-200mbar，处理蓝宝石衬底5min-10min。

步骤2、生长GaN低温缓冲层：降温至500℃-600℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa及50L/min-90L/min的H₂，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm-60nm的GaN低温缓冲层。

步骤3、生长3D的GaN层：升温至850℃-1000℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa及50L/min-90L/min的H₂，持续生长2μm-3μm的3D的GaN层。

步骤4、生长2D的GaN层：升温至1000℃-1100℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、300sccm-400sccm的TMGa及50L/min-90L/min的H₂，持续生长2μm-3μm的2D的GaN层。

步骤5、生长掺杂Si的n-GaN层：保持反应腔压力150mbar-300mbar，保持温度1000℃-1100℃，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa、50L/min-90L/min的H₂及20sccm-50sccm的SiH₄，持续生长2μm-4μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

步骤6、周期性生长发光层：保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度700℃-750℃，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa、1000sccm-2000sccm的TMIn及50L/min-90L/min的N₂，生长掺杂In的3nm-4nm的In_xGa_(1-x)N层，其中，x＝0.15-0.25，In掺杂浓度为1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³。

升高温度至800℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，生长10nm-15nm的GaN层。

重复交替生长In_xGa_(1-x)N层和GaN层，形成MQW有源层，其中，In_xGa_(1-x)N层和GaN层的交替生长周期数为10-15个。

步骤7、生长P型AlGaN层：保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度850℃-950℃，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

步骤8、生长高温p型GaN层：保持反应腔压力200mbar-600mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa及50L/min-90L/min的N₂，持续生长100nm-300nm的掺Mg的高温P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

步骤9、降温至700℃-800℃，通入流量为100L/min-150L/min的N₂，保温20min-30min，关闭加热系统、随炉冷却得到发光二极管。

使用本发明提供的生长方法生长了一组外延片样品W1，使用传统工艺的生长方法生长了一组外延片样品W2，两组样品只有缓冲层存在差异。将外延片样品W1按照生产线上标准工艺制作成尺寸为254μm×686μm的芯片样品C1，将外延片样品W2按照生产线上标准工艺制作成尺寸为254μm×686μm的芯片样品C2。

利用型号为D8Discover的高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)对GaN外延片样品的结晶质量进行表征，使用型号为LEDA-8F P7202的半积分球全自动晶圆点测机测试芯片样品的光电特性，如表格1所示：

表格1 样品W1、W2的XRD摇摆曲线的FWHM(半高宽)和位错密度

通过分析表格1，可以得到如下结论：与样品W2相比，样品W1的螺位错密度和刃位错密度都有明显下降，说明本发明方法的AlN缓冲层可有效的提高外延薄膜的晶体质量。

为了阐明基于不同缓冲层生长GaN外延片的晶体质量对LED器件光电参数的影响，将样品W1和样品W2分别制作成芯片。具体的，将样品W1制作成芯片，得到尺寸为254μm×686μm的芯片样品C1；将样品W2制作成芯片，得到尺寸为254μm×686μm的芯片样品C2；利用点测机在正向150mA下测试发光功率(LOP)，在反向-5V下测试漏电流(IR)，在人体模式(HBM)2000V下测试抗静电能力(ESD通过率)，求得所有芯粒光电参数的平均值，如表格2所示：

表格2 芯片样品C1和C2的主要光电参数测试值

通过分析表格2，可以得到如下结论：本发明提供的生长方法制作的芯片样品的发光功率高，漏电明显要小，并且抗静电良率高。其中，发光功率高、漏电小的主要原因是本发明方法AlN薄膜上生长的GaN基LED材料中存在更低的位错密度，减少了非辐射复合中心和漏电通道。

通过上述实施例可知，本发明提供的LED的ALN缓冲层及其外延生长方法，至少实现了如下的有益效果：

通过采用磁控溅射法与MOCVD方法，在蓝宝石衬底上生长AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层，可以改善蓝宝石衬底与GaN晶格失配诱发缺陷的异质外延生长难题，进一步抑制位错，减少材料缺陷，提高外延晶体质量，提升GaN基LED器件材料的晶体质量和光电性能。

并且，分别生长AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层，通过各工艺参数的严密配合，能够使AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层晶粒均匀、细小，粗糙度小，表面平整，内部缺陷小，AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层整体质量高。

除此之外，由于AlN-1薄膜层和AlN-2薄膜层的界面更清晰和平整，其反射效率更高，因而LED的亮度更高。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。