A1n模板led外延生長方法
【專利摘要】本申請公開了一種AlN模板LED外延生長方法，依次包括：處理襯底、生長非摻雜GaN層、生長n型GaN層、生長發光層、生長電子阻擋層、生長摻雜Mg的P型GaN層，生長電極接觸層、降溫冷卻。與傳統方法相比，本申請提供的方法，減少了生長低溫緩沖層的步驟，同時在非摻雜GaN層生長的時間大量減少，大大節約了生產時間，而且，采用AlN模板使其具有良好的XRD 102面值，沉積的晶體質量大大提升，較傳統GaN基LED外延結構相比，在亮度、降低電壓及高抗靜電能力方法有明顯改善。
【專利說明】
Al N模板LED外延生長方法
技術領域
[0001 ]本申請涉及LED外延設計應用技術領域，具體地說，涉及一種AlN模板LED外延生長方法。
【背景技術】
[0002]目前LED(LightEmitting D1de，發光二極管)是一種固體照明，體積小、耗電量低使用壽命長高亮度、環保、堅固耐用等優點受到廣大消費者認可，國內生產LED的規模也在逐步擴大;市場上對LED亮度和光效的需求與日倶增，如何生長更好的外延片日益受到重視，因為外延層晶體質量的提高，LED器件的性能可以得到提升，LED的發光效率、壽命、抗老化能力、抗靜電能力、穩定性會隨著外延層晶體質量的提升而提升。
[0003]傳統LED外延結構為GaN基，生長方法包括:處理襯底、生長低溫緩沖層、生長非摻雜GaN層、生長η型GaN層、生長發光層、生長電子阻擋層、生長摻雜Mg的P型GaN層、生長電極接觸層，降溫冷卻。
[0004]近年來，GaN基LED的研究不斷深入，其在發光強度、白光光效、散熱等方面都有了顯著改善，GaN基LED的商業化水平不斷提高，應用范圍不斷擴大。但是隨著市場對高亮度、低電壓及高抗靜電能力的不斷需求，傳統GaN基LED在亮度、電壓及抗靜電能力上的提升和改善已較難滿足市場需求的速度。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本申請所要解決的技術問題是提供了一種AlN模板LED外延生長方法，減少了生長低溫緩沖層的步驟，大大節約了生產時間，而且能夠顯著提升LED的亮度、降低電壓以及提升抗靜電能力。
[0006]為了解決上述技術問題，本申請有如下技術方案:
[0007]—種AlN模板LED外延生長方法，其特征在于，
[0008]依次包括:處理襯底、生長非摻雜GaN層、生長η型GaN層、生長發光層、生長電子阻擋層、生長摻雜Mg的P型GaN層，生長電極接觸層、降溫冷卻，
[0009]所述處理襯底，進一步為:
[0010]在650°C下烘烤藍寶石襯底5min-7min，在藍寶石襯底上預濺射AlN膜20s-45s，再在藍寶石襯底上正式濺射AlN膜60s-75s，而后進行水冷處理811^11-121^11，在吣氣氛下包裝得到外延生長的AlN模板襯底；
[0011]升高溫度至1200 °C-1250 °C，將所述AlN模板襯底在H2氣氛中進行高溫凈化處理3min_7min;
[0012]所述生長非摻雜GaN層，進一步為:
[0013]降低溫度至1150°C-1200°C，反應腔壓力控制在 550mbar-650mbar，生長 0.5μπι-1.0μπι厚度的非摻雜GaN層；
[0014]所述生長η型GaN層，進一步為:
[0015]將反應腔壓力降低至100mbar-200mbar，溫度控制在1200°C_1280°C，生長Ι.Ομπι-1.5μηι厚度的η型GaN層；
[0016]所述生長發光層，進一步為:
[0017]降低溫度至680°C_780°C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長45nm-75nm厚的第一勢皇層；
[0018]溫度控制在700°C-750°C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長2-6個循環周期的InGaN/GaN淺量子講層，講厚3nm_6nm ；
[0019]溫度控制在700°C-800°C，生長8-20個循環周期的發光多量子阱層，阱厚0.7nm-2.5nm,皇厚1.5nm-3.5nm0
[0020]優選地，其中:
[0021]所述處理襯底，進一步采用物理氣相沉積的方法將所述AlN膜沉積于所述藍寶石襯底表面。
[0022]優選地，其中:
[0023]所述生長電子阻擋層，進一步為:
[0024]溫度控制在850°C_950°C，反應腔壓力控制在100mbar-350mbar，生長一層電子阻擋層，生長厚度為3nm-15nm0
[0025]優選地，其中:
[0026]所述生長摻Mg的P型GaN層進一步為:
[0027]溫度控制在1020°C-1120°C，反應腔壓力控制在400mbar-700mbar，以N2作為載氣生長摻Mg的P型GaN層，厚度為25nm-65nm。
[0028]優選地，其中:
[0029]所述生長電極接觸層，進一步為:
[0030]降低溫度至550°C_700°C，反應腔壓力控制在200mbar-500mbar，生長In組分摻雜的P型InGaN電極接觸層，厚度為1.5nm-5nm0
[0031]優選地，其中:
[0032]所述降溫冷卻，進一步為:
[0033]降低溫度至500°C_650°C，在純N2氣氛下退火5min_20min，再降至室溫。
[0034]與現有技術相比，本申請所述的方法，達到了如下效果:
[0035]第一，本發明AlN模板LED外延生長方法，與傳統方法相比，減少了生長低溫緩沖層的步驟，同時在非摻雜GaN層生長的時間大量減少，傳統生長需要生長非摻雜GaN層生長需要的時間較長，從3D生長到2D生長共計需要超過60min，厚度超過3μπι，而采用AlN模板生長，只需要生長約30min，厚度降低一半，同時采用AlN模板生長，不需要生長低溫GaN緩沖層，加上升降溫時間，時間還可節約5min左右。此外，由于AlN模板生長良好的結晶質量，其XRD102面低于170，傳統的外延生長在220以上，因此在生長高摻雜η型GaN層時還可以大量減少時間。相比傳統GaN基LED外延生長傳統的1.0μπι-2.Ομπι的GaN過渡層，單片產品平均節約生長時間約40min-50min，因此，采用本發明的生長方法可大量節約生產時間，提升產能的優勢，提尚了生廣效率。
[0036]第二，利用本發明AlN模板LED外延生長方法生長的產品，采用AlN模板使其具有良好的XRD 102面值，沉積的晶體質量大大提升，較傳統GaN基LED外延結構相比，在亮度、降低電壓及高抗靜電能力方法有明顯改善。
【附圖說明】
[0037]此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中:
[0038]圖1為本發明實施例1和實施例2中LED外延層的結構示意圖；
[0039]圖2為對比實施例1中LED外延層的結構示意圖；
[°04°] 圖3為樣品I和樣品2的電性參數Cow-Lop(chip on wafer亮度)對比圖；
[0041]圖4為樣品I和樣品2的電性參數VfI對比圖；
[0042]圖5為樣品I和樣品2的電性參數ESD>2000V良率對比圖；
[0043]其中，1、A1N模板，2、非摻雜GaN，3、n型GaN層，4、第一勢皇層，5、淺量子阱層，6、多量子阱層，7、電子阻擋層，8、摻雜Mg的P型層，9、CTL層，10、藍寶石襯底，11、緩沖層GaN。
【具體實施方式】
[0044]如在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領域技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求并不以名稱的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的“包含”為一開放式用語，故應解釋成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的誤差范圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差范圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性耦接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性耦接于所述第二裝置，或通過其他裝置或耦接手段間接地電性耦接至所述第二裝置。說明書后續描述為實施本申請的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本申請的一般原則為目的，并非用以限定本申請的范圍。本申請的保護范圍當視所附權利要求所界定者為準。
[0045]實施例1
[0046]參見圖1，本發明運用MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片。采用高純H2或高純N2或高純H2和高純犯的混合氣體作為載氣，高純NH3作為咐原，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)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(TMAl)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂(CP2Mg)。具體生長方式如下:
[0047]一種AlN模板LED外延生長方法，依次包括:依次包括:處理襯底、生長非摻雜GaN層、生長η型GaN層、生長發光層、生長電子阻擋層、生長摻雜Mg的P型GaN層，生長電極接觸層、降溫冷卻，
[0048]所述處理襯底，進一步為:
[0049]在650°C下烘烤藍寶石襯底5min-7min，在藍寶石襯底上預濺射AlN膜20s-45s，再在藍寶石襯底上正式濺射AlN膜60s-75s，而后進行水冷處理811^11-121^11，在％氣氛下包裝得到外延生長的AlN模板襯底；
[0050]升高溫度至1200 °C-1250 °C，將所述AlN模板襯底在H2氣氛中進行高溫凈化處理3min_7min;
[0051 ] 所述生長非摻雜GaN層，進一步為:
[0052]降低溫度至1150°C-1200°C，反應腔壓力控制在 550mbar-650mbar，生長 0.5μπι-1.0μπι厚度的非摻雜GaN層；
[0053]所述生長η型GaN層，進一步為:
[0054]將反應腔壓力降低至100mbar-200mbar，溫度控制在1200°C_1280°C，生長Ι.Ομπι-1.5μηι厚度的η型GaN層；
[0055]所述生長發光層，進一步為:
[0056]降低溫度至680°C_780°C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長45nm-75nm厚的第一勢皇層；
[0057]溫度控制在700°C_750°C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長2-6個循環周期的InGaN/GaN淺量子講層，講厚3nm_6nm ；
[0058]溫度控制在700°C-800°C，生長8-20個循環周期的發光多量子阱層，阱厚0.7nm-2.5nm,皇厚1.5nm-3.5nm0
[0059]本發明AlN模板LED外延生長方法中，與傳統方法相比，減少了生長低溫緩沖層的步驟，同時在非摻雜GaN層生長的時間大量減少，較傳統GaN基LED外延結構相比，在亮度、降低電壓及高抗靜電能力方法有明顯改善。
[0060]傳統生長需要生長非摻雜GaN層生長需要的時間較長，從3D生長到2D生長共計需要超過60min，厚度超過3μηι，而本發明采用AlN模板生長，只需要生長約30min，厚度降低一半，同時采用AlN模板生長，不需要生長低溫GaN緩沖層，加上升降溫時間，時間還可節約5min左右。此外，由于AlN模板生長良好的結晶質量，其XRD 102面低于170，傳統的外延生長在220以上，因此在生長高摻雜η型GaN層時還可以大量減少時間。相比傳統GaN基LED外延生長傳統的I ?(^!11+2.(^1]1的631'1過渡層，單片產品平均節約生長時間約40111；[11-50111；[11，因此，采用本發明的生長方法可大量節約生產時間，提升產能的優勢，提高了生產效率。
[0061 ] 實施例2
[0062]以下提供本發明的AlN模板LED外延生長方法的應用實施例，其外延結構參見圖1，采用Aixtron Crius系統實施，生長方法具體如下:
[0063]1、將藍寶石襯底通過PVD(物理氣相沉積)沉積AlN膜，關鍵工藝為在在650°C下烘烤藍寶石襯底5min-7min，在藍寶石襯底上預濺射AlN膜20s-45s，再在藍寶石襯底上正式濺射AlN膜60s-75s，而后進行水冷處理101^11，在他氣氛下包裝得到外延生長的AlN模板襯底。
[0064]2、將AlN模板襯底在1200°C-1250°C溫度下，于在H2氣氛中進行高溫凈化處理3min_7min0
[0065]3、降低溫度至1150°C-1200°C，反應腔壓力控制在550mbar-650mbar，生長0.5μπι-1.Ομπι厚度的非摻雜GaN層。
[0066]4、將反應腔壓力降低至100mbar-200mbar，溫度控制在1200°C-1280°C，生長1.0μm-1.5μηι厚度的η型GaN層。
[0067]5、降低溫度至680°C_780°C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長45nm-75nm
厚的第一勢皇層。
[0068]6、溫度控制在700°C_750°C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長2-6個循環周期的InGaN/GaN淺量子講層，講厚3nm_6nm0
[0069]7、溫度控制在700°C-800 °C，生長8-20個循環周期的發光多量子阱層，阱厚0.7nm-2.5nm,皇厚1.5nm-3.5nm0
[0070]8、控制溫度在850°C_950°C之間，生長一層電子阻擋層，壓力控制在10mbar-350mbar，生長厚度在 3nm_15nm。
[0071]9、以N2作為載氣生長摻Mg的P型GaN層，溫度控制在1020°C_1120°C，反應腔壓力控制在400mbar-700mbar，厚度為 25nm_65nm。
[0072]10、降低溫度至550°C-700°C，反應腔壓力控制在200mbar-500mbar，生長In組分摻雜的P型InGaN電極接觸層(CTL層)，厚度為I.5nm_5nm。
[0073]11、外延生長結束后，降溫至500 °C-650 °C，在純N2氣氛下退火5min-20min，再降至室溫，即得到如圖1所示的LED外延結構。
[0074]對比實施例1
[0075]以下提供一種傳統LED外延生長方法作為本發明的對比實施例1。
[0076]傳統LED外延的生長方法為(外延層結構參見圖2):
[0077]1、將藍寶石襯底在出氣氛下進行高溫退火，清潔襯底表面，溫度控制在1000°C-1250 °C，進行凈化處理3min_7min。
[0078]2、降溫至520-620°C，保持反應腔壓力450mbar-650mbar，生長厚度為20nm-35nm的低溫緩沖層GaN。
[0079]3、升高溫度到 1150°C-1200°C，保持反應腔壓力 550mbar-650mbar，生長 1μπι-2μπι 厚度的非摻雜GaN層。
[0080]4、溫度控制在 1200°C-1280°C，生長壓力調節至 100mbar-200mbar，生長 1.5μπι-3.0
Mi厚度的η型GaN層。
[0081 ] 5、降溫至680°C-780°C，生長壓力控制在150mbar-650mbar，生長45nm_75nm厚度的第一勢皇層。
[0082]6、緊接著生長淺量子阱層，溫度在700°C_750°C之間，壓力在150mbar-650mbar之間，淺量子講層由2-6個循環的InGaN/GaN組成，淺量子講層厚度為3nm_6nm0
[0083]7、溫度控制在700°C-800°C之間，生長8-20個循環的發光多量子阱層，阱厚0.7nm-2.5nm,皇厚1.5nm-3.5nm0
[0084]8、控制溫度在850°C_950°C之間，生長一層電子阻擋層，壓力控制在10mbar-350mbar，生長厚度在 3nm_15nm。
[0085]9、以N2作為載氣生長摻雜Mg的P層，生長溫度在1020°C_1120°C之間，壓力在400mbar-700mbar，厚度 25nm_65nm。
[0086]10、降溫至550°C_700°C，壓力200mbar-500mbar，生長In組分摻雜的P型InGaN電極接觸層，厚度1.5nm-5nm0
[0087]11、外延生長結束后，降溫至500°C_650°C，在純N2氣氛下退火5min-20min，再降至室溫。
[0088]在同一機臺上，根據傳統的LED的生長方法(對比實施例1的方法)制備樣品I，根據本專利描述的方法制備樣品2;樣品I和樣品2外延生長方法的最大不同點在于樣品2采用的是AlN模板襯底生長，其結構中沒有傳統GaN基LED生長的低溫緩沖層，同時在非摻雜GaN層生長時間大量減少，樣品I采用的是傳統藍寶石襯底生長。
[0089]樣品I和樣品2在相同的前工藝條件下鍍ITO層約150nm，相同的條件下鍍Cr/Pt/Au電極約1500nm，相同的條件下鍍保護層Si02約lOOnm，然后在相同的條件下將樣品研磨切割成425ym*850ym(17mil*34mil)的芯片顆粒，然后樣品I和樣品2在相同位置各自挑選100顆晶粒，在相同的封裝工藝下，封裝成白光LED。然后采用積分球在驅動電流350mA條件下測試樣品I和樣品2的光電性能。
[°09°] 參見圖3所示為樣品I和樣品2的電性參數Cow-Lop(chip on wafer亮度)對比圖，圖4為樣品I和樣品2的電性參數Vf I對比圖，圖5為樣品I和樣品2的電性參數ESD>2000V良率對比圖。從圖3-圖5可看出，其Cow_Lop由均值130.2mw提高到均值142.3mw，Cow_Lop提升比例高達9.29%，Vfl由均值3.09V下降到均值2.98V，下降比例達3.56%，ESD>2000V比例由均值88.96 %提升到均值93.49 %，良率比例提升達4.53 %。
[0091]因此，通過圖3、圖4和圖5的數據對比可得出以下結論:
[0092]通過本專利提供的生長方法，LED電性參數變好，亮度明顯提高，而且在降低電壓Vfl和提高抗靜電能力方面也有明顯改善。實驗數據證明了本專利的方案能顯著改善亮度、降低電壓及提升抗靜電能力的可行性。
[0093]通過以上各實施例可知，本申請存在的有益效果是:
[0094]第一，本發明AlN模板LED外延生長方法，與傳統方法相比，減少了生長低溫緩沖層的步驟，同時在非摻雜GaN層生長的時間大量減少，傳統生長需要生長非摻雜GaN層生長需要的時間較長，從3D生長到2D生長共計需要超過60min，厚度超過3μπι，而采用AlN模板生長，只需要生長約30min，厚度降低一半，同時采用AlN模板生長，不需要生長低溫GaN緩沖層，加上升降溫時間，時間還可節約5min左右。此外，由于AlN模板生長良好的結晶質量，其XRD102面低于170，傳統的外延生長在220以上，因此在生長高摻雜η型GaN層時還可以大量減少時間。相比傳統GaN基LED外延生長傳統的1.0μπι-2.Ομπι的GaN過渡層，單片產品平均節約生長時間約40min-50min，因此，采用本發明的生長方法可大量節約生產時間，提升產能的優勢，提尚了生廣效率。
[0095]第二，利用本發明AlN模板LED外延生長方法生長的產品，采用AlN模板使其具有良好的XRD 102面值，沉積的晶體質量大大提升，較傳統GaN基LED外延結構相比，在亮度、降低電壓及高抗靜電能力方法有明顯改善。
[0096]本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、裝置、或計算機程序產品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。
[0097]上述說明示出并描述了本申請的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本申請并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本申請的精神和范圍，則都應在本申請所附權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種AlN模板LED外延生長方法，其特征在于， 依次包括:處理襯底、生長非摻雜GaN層、生長η型GaN層、生長發光層、生長電子阻擋層、生長摻雜Mg的P型GaN層，生長電極接觸層、降溫冷卻， 所述處理襯底，進一步為: 在650 0C下烘烤藍寶石襯底5min-7min，在藍寶石襯底上預濺射AlN膜20s_45s，再在藍寶石襯底上正式派射AlN膜60s-75s，而后進行水冷處理8min-12min，在N2氣氛下包裝得到外延生長的AlN模板襯底； 升高溫度至1200°C-1250°C，將所述AlN模板襯底在H2氣氛中進行高溫凈化處理3min-7min； 所述生長非摻雜GaN層，進一步為: 降低溫度至11500C-12000C，反應腔壓力控制在550mbar-650mbar，生長0.5μπι-1.0ym厚度的非摻雜GaN層； 所述生長η型GaN層，進一步為: 將反應腔壓力降低至100mbar-200mbar，溫度控制在1200°C-1280°C，生長1.0μπι-1.5μπι厚度的η型GaN層； 所述生長發光層，進一步為: 降低溫度至680 0C -780 0C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長45nm_75nm厚的第一勢皇層； 溫度控制在700°C_750°C，反應腔壓力控制在150mbar-650mbar，生長2-6個循環周期的InGaN/GaN淺量子講層，講厚3nm_6nm; 溫度控制在700°C-800°C，生長8-20個循環周期的發光多量子阱層，阱厚0.7nm_2.5nm，皇厚 1.5nm_3.5nm02.根據權利要求1所述AlN模板LED外延生長方法，其特征在于， 所述處理襯底，進一步采用物理氣相沉積的方法將所述AlN膜沉積于所述藍寶石襯底表面。3.根據權利要求1所述AlN模板LED外延生長方法，其特征在于， 所述生長電子阻擋層，進一步為: 溫度控制在850°C_950°C，反應腔壓力控制在100mbar-350mbar，生長一層電子阻擋層，生長厚度為3nm_15nm04.根據權利要求1所述AlN模板LED外延生長方法，其特征在于， 所述生長摻Mg的P型GaN層進一步為: 溫度控制在1020°C_1120°C，反應腔壓力控制在400mbar-700mbar，以N2作為載氣生長慘Mg的P型GaN層，厚度為25nm-65nm。5.根據權利要求1所述AlN模板LED外延生長方法，其特征在于， 所述生長電極接觸層，進一步為: 降低溫度至550°C_700°C，反應腔壓力控制在200mbar-500mbar，生長In組分摻雜的P型InGaN電極接觸層，厚度為1.5nm-5nm06.根據權利要求1?5之任一所述AlN模板LED外延生長方法，其特征在于， 所述降溫冷卻，進一步為: 降低溫度至500 °C-650 °C，在純N2氣氛下退火5min_20min，再降至室溫。
【文檔編號】H01L33/00GK105932116SQ201610289678
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】向錦濤
【申請人】湘能華磊光電股份有限公司