匹配azo薄膜電流擴展層的led外延結構及其生長方法

匹配azo薄膜電流擴展層的led外延結構及其生長方法
【專利摘要】本發明提供一種匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構的生長方法，依次包括處理藍寶石襯底、生長低溫GaN成核層、生長高溫GaN緩沖層、生長U型GaN層、生長N型GaN層、生長多周期量子阱發光層、生長P型AlGaN層、生長P型GaN層、生長AlGaN:Mg接觸層以及退火處理。本發明采用在LED外延最后的接觸層設計為AlGaN:Mg結構，可匹配ZnO∶Al(AZO)透明導電薄膜，降低了接觸電阻，降低了LED芯片的工作電壓。本發明還公開一種匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構，整體結構精簡，可匹配ZnO∶Al(AZO)透明導電薄膜，降低了接觸電阻，降低了LED芯片的工作電壓。
【專利說明】
匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構及其生長方法
技術領域
[0001] 本發明涉及LED領域，具體涉及一種匹配AZ0薄膜電流擴展層的LED外延結構及其 生長方法。
【背景技術】
[0002] 隨著半導體、計算機、太陽能等產業的發展，一種新的功能材料一一透明導電氧化 物薄膜(transparent conducting oxide，簡稱TC0薄膜)隨之產生、發展起來。這類薄膜具 有禁帶寬、可見光譜區光透射率高和電阻率低等光電特性，在半導體光電器件領域、太陽能 電池、平面顯示、特殊功能窗口涂層等方面具有廣闊的應用前景。其中制備技術最成熟、應 用最廣泛的當屬ln 203基（In203:Sn，簡稱IT0)薄膜。但是，由于IT0薄膜中ln 203價格昂貴，從 而導致生產成本很高;而且，In材料有毒，在制備和應用過程中對人體有害，另外，Sn和In的 原子量較大，成膜過程中容易滲入到襯底內部，毒化襯底材料，尤其在液晶顯示器件中污染 現象嚴重。而ZnO:Al(簡稱AZ0)透明導電薄膜中的Zn源價格便宜、來源豐富、無毒，并且在氫 等離子體中穩定性要優于IT0薄膜，同時具有可與IT0薄膜相比擬的光電特性。所以，AZ0薄 膜取代IT0薄膜在發展上具有一定的優越性。
[0003] 目前市場上應用在LED芯片上用作電流擴展層的是IT0(In203:Sn)透明導電薄膜， 所以相應的LED外延結構主要設計用于匹配IT0材料，一般用GaN材料。而如果在芯片上面應 用AZ0透明導電薄膜做擴展層，為了降低接觸電阻，外延接觸層急需改變。

【發明內容】

[0004] 本發明提供一種結構簡單、適用范圍廣、裝卸方便、成本低廉的匹配AZ0薄膜電流 擴展層的LED外延結構的生長方法，具體方案如下：
[0005] -種匹配AZ0薄膜電流擴展層的LED外延結構生長方法，依次包括處理藍寶石襯 底、生長低溫GaN成核層、生長高溫GaN緩沖層、生長U型GaN層、生長N型GaN層、生長多周期量 子阱發光層、生長P型AlGaN層、生長P型GaN層、生長AlGaN: Mg接觸層以及退火處理；
[0006] 生長AlGaN: Mg接觸層具體為：
[0007] P型GaN層生長結束后，生長厚度為5-20nm的AlGaN:Mg接觸層，其中：所用M0源為 TMAl、TMGa、CP2Mg;生長溫度為850°C-1050°C，生長壓力為 100_500Torr，V/m摩爾比為 1000-5000，A1組分的摩爾含量占 l%-20%，Mg摻雜濃度為lE19-lE21atom/cm3。
[0008] 以上技術方案中優選的，生長高溫GaN緩沖層具體為：
[0009] 低溫GaN成核層生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，退火溫度升高至 1000°C_1100°C，退火時間為5-10min ;退火之后，將溫度調節至900°c-1050°c，繼續通入 TMGa，外延生長厚度為0.2-lum的高溫GaN緩沖層，生長壓力為400-650Torr，V/m摩爾比為 500-3000〇
[0010]以上技術方案中優選的，生長U型GaN層具體為：
[0011] 高溫GaN緩沖層生長結束后，通入NH3和TMGa，生長厚度為l-3um非摻雜的U型GaN 層，其中：生長溫度為1050°C-1200°C，生長壓力為100-500Torr，V/m摩爾比為300-3000。 [0012]以上技術方案中優選的，生長N型GaN層具體為：U型GaN層生長結束后，通入NH3、 TMGa和SiH4,生長厚度為2-4um的N型GaN層，生長溫度為1050-1200°C，生長壓力為100-600Torr，V/m摩爾比為300-3000，Si的摻雜濃度為8E18-2E19atom/cm 3。
[0013]以上技術方案中優選的，生長多周期量子阱發光層具體為:N型GaN層生長結束后， 生長多周期量子阱發光層，所用M0源為TEGa、TMIn及SiH4;
[0014]多周期量子阱發光層由5-15個周期的InyGal-yN/GaN阱皇結構組成，其中：量子阱 InyGai-yN層的厚度為2-5nm，y = 0 ? 1-0 ? 3;生長溫度為700-800°C，生長壓力為 100_500Torr， V/m摩爾比為300-5000 ;GaN皇層的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950°C，生長壓力為 100-500Torr，V/m摩爾比為300-5000，Si組分的摩爾含量占0.5%-3%。
[0015] 以上技術方案中優選的，生長P型GaN層具體為:P型AlGaN層生長結束后，生長厚度 為100-800nm的P型GaN層，所用M0源為TMGa和Cp 2Mg;生長溫度為850-1000°C，生長壓力為 100-500Torr，V/m摩爾比為300-5000，Mg摻雜濃度為lE17-lE18atom/cm 3〇
[0016] 本發明還公開一種上述方法所得匹配AZ0薄膜電流擴展層的LED外延結構，包括從 下往上依次層疊的藍寶石襯底、低溫GaN成核層、高溫GaN緩沖層、U型GaN層、N型GaN層、多周 期量子阱發光層、P型AlGaN層、P型GaN層以及AlGaN:Mg接觸層；
[0017] 所述AlGaN:Mg接觸層的生長厚度為5-20nm，Al組分的摩爾含量占 l%-20%，Mg摻 雜濃度為 lE19-lE21atom/cm3〇
[0018]以上技術方案中優選的，多周期量子阱發光層由5-15個周期的InyGai- yN/GaN阱皇 結構組成，一個周期的InyGai-yN/GaN阱皇結構包括一個厚度為2-5nm的量子阱In yGai-yN層和 一個厚度為8_15nm的GaN皇層，其中y = 0 ? 1-0 ? 3〇
[0019] 以上技術方案中優選的，低溫GaN成核層的厚度為20-40nm;高溫GaN緩沖層的厚度 為0.2-lum;U型GaN層的厚度為l-3um;N型GaN層的厚度為2-4um;P型AlGaN層的厚度為50-200nm;P 型GaN 層的厚度為 100-800nm。
[0020] 本發明提供的技術方案具有如下有益效果：
[0021] 1、本發明生長步驟精簡，便于規模化生產。
[0022] 2、本發明提供的匹配AZ0薄膜電流擴展層的LED外延結構，將LED外延最后的接觸 層設計為AlGaN:Mg結構，以匹配Zn0:Al(AZ0)透明導電薄膜降低接觸電阻，從而降低LED芯 片的工作電壓；
[0023] 3、本發明提供的匹配AZ0薄膜電流擴展層的LED外延結構，與GaN相比，通過調節A1 組分，可使AlGaN與AZ0薄膜材料的勢皇高度差更低，同時在AlGaN接觸層重摻雜Mg能讓半導 體耗盡區變窄，使載流子有更多機會隧穿，以匹配Zn0:Al(AZ0)透明導電薄膜電流擴展層降 低接觸電阻，從而降低LED芯片的工作電壓，節約了能源，降低了使用成本。
[0024] 除了上面所描述的目的、特征和優點之外，本發明還有其它的目的、特征和優點。 下面將參照附圖，對本發明作進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的 附圖，其中：
[0026] 圖1為本發明提供的匹配AZ0薄膜電流擴展層的LED外延結構的結構示意圖；
[0027] 圖2為LED外延結構的樣品1、樣品2和樣品3的電壓對比圖；
[0028] 圖3為LED外延結構的樣品1、樣品2和樣品3的亮度對比圖；
[0029]圖中：1、AlGaN:Mg接觸層，2、P型GaN層，3、P型AlGaN層，4、多周期量子阱發光層，5、 N型GaN層，6、U型GaN層，7、高溫GaN緩沖層，8、低溫GaN成核層，9、藍寶石襯底。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合本發明的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯 然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。
[0031] 請參閱圖1，本發明運用VEECO M0CVD來生長高亮度GaN基LED外延片，具體是：
[0032] 采用高純出、高純N2、高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH 3作為對原，金屬 有機源三甲基鎵(TMGa)，金屬有機源三乙基鎵(TEGa)，三甲基銦(TMIn)作為銦源，三甲基鋁 (TMA1)作為鋁源，N型摻雜劑為硅烷(SiH4)，P型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg)，襯底為藍寶石，反 應壓力在lOOtorr到lOOOtorr之間。具體生長方式如下：
[0033] S1、將藍寶石襯底9在出氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050-1150°C ;
[0034] S2、將溫度下降到500-620°C，通入NH3和TMGa，生長20-40nm厚的低溫GaN成核層8， 生長壓力為400-650Torr，V/m摩爾比為500-3000;
[0035] S3、低溫GaN成核層8生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，退火溫度升 高至1000-1100°C，退火時間為5-10min;退火之后，將溫度調節至900-1050°C，繼續通入 TMGa，外延生長厚度為0.2-lum間的高溫GaN緩沖層7，生長壓力為400-650Torr，V/m摩爾 比為 500-3000;
[0036] S4、高溫GaN緩沖層7生長結束后，通入NH3和TMGa，生長厚度為l-3um非摻雜的U型 GaN層6,生長過程溫度為1050-1200°C，生長壓力為100_500Torr，V/m摩爾比為300-3000; [0037] S5、U型GaN層6生長結束后，通入NH3、TMGa和SiH4，先生長一層摻雜濃度穩定的N型 GaN層5,厚度為2-4um，生長溫度為1050-1200°C，生長壓力為100_600Torr，V/m摩爾比為 300-3000，Si 摻雜濃度為 8E18-2E19atom/cm3;
[0038] S6、N型GaN層5生長結束后，生長多周期量子阱發光層4,所用M0源為TEGa、TMIn及 SiH4;多周期量子阱發光層4由5-15個周期的InyGaPyN/GaN阱皇結構組成，其中量子阱 1114&1-川（7 = 0.1-0.3)層的厚度為2-5隨1，生長溫度為700-800°(：，生長壓力為100-500Torr，V/m摩爾比為300-5000;其中皇層GaN的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950°C， 生長壓力為100-500Torr，V/m摩爾比為300-5000,皇層GaN進行低濃度Si摻雜，Si組分為 0.5%-3% ；
[0039] S7、多周期量子阱發光層4生長結束后，生長厚度為50-200nm的P型AlGaN層3,所用 10源為了]\^1，了]\?^和0口2]\^;生長溫度為900-1100°(：，生長時間為3-10111111，壓力在20-200Torr，V/m摩爾比為1000-20000，P型AlGaN層的A1的摩爾組分為10%-30%，Mg的摩爾 組分為 0.05%-0.3%;
[0040] S8、P型AlGaN層3生長結束后，生長P型GaN層2,所用M0源為TMGa和Cp2Mg;生長厚度 為100-800nm，生長溫度為850-1000°C，生長壓力為100-500Torr，V/m摩爾比為300-5000， Mg 摻雜濃度為 lE17-lE18atom/cm3;
[00411 S9、P型GaN層2生長結束后，生長厚度為5-20nm的AlGaN:Mg接觸層1，所用M0源（高 純金屬有機源)為TMA1、TMGa、Cp2Mg;生長溫度為850-1050°C，生長壓力為100_500Torr，V/ m摩爾比為 1000-5000，A1 組分在 1-20%，Mg摻雜濃度為lE19-lE21atom/cm3;
[0042] S10、外延生長結束后，將反應室的溫度降至650-800°C，采用純氮氣氛圍進行退火 處理5-10min，然后降至室溫，結束生長;外延結構經過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續半導 體加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0043] 本發明的核心在于第9步(S9)生長，在高溫P型GaN層生長完之后，生長一層AlGaN: Mg接觸層來取代原來的GaN: Mg接觸層，因為AlGaN相比GaN，可通過調整A1組分，使其與AZ0 薄膜材料的勢皇高度差更低，同時又通過在AlGaN中重摻雜Mg，讓半導體耗盡區變窄，從而 電子有更多機會隧穿，以匹配Zn0:Al(AZ0)透明導電薄膜電流擴展層，來降低接觸電阻，從 而降低LED芯片的工作電壓。
[0044] 根據傳統的LED的生長方法制備樣品1，生長的接觸層為Mg:GaN結構，參數見表1; 根據本發明方法制備樣品2和樣品3,生長的接觸層為AlGaN:Mg結構，參數詳見表1，樣品2: 通入的TMA1為15sccm，Al組分的摩爾含量為6%;樣品3:通入的TMA1為30sccm，Al組分的摩 爾含量為12%。樣品1、樣品2和樣品3其它外延層生長條件完全一樣。
[0045] 表1傳統生產方式和本發明生長方式的比較表
[0047]樣品1、樣品2以及樣品3在相同的前工藝條件下鍍Zn0:Al(AZ0)透明導電薄膜來做 電流擴展層，然后在相同的條件下將樣品研磨切割成762wiiX762_(30milX30mil)的芯片 顆粒，然后樣品1、樣品2以及樣品3在相同位置各自挑選150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1、樣品2以及樣品3的光 電性能。
[0048] 請參考圖2,從圖2數據得出樣品2較樣品1驅動電壓從3.4-3.5降低至3.25-3.3v， 樣品3較樣品1驅動電壓從3.4-3.5降低至3.2-3.25v，請參閱圖3,從圖3數據得出樣品1和樣 品2,樣品3的亮度相差不多，都在530mw附近。本專利提供的生長方法能降低AZO薄膜做電流 擴展層的驅動電壓。
[0049]以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利保護范圍，凡是利用 本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，直接或間接運用在其它相關的 技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構的生長方法，其特征在于，依次包括處 理藍寶石襯底(9)、生長低溫GaN成核層(8)、生長高溫GaN緩沖層(7)、生長U型GaN層(6)、生 長N型GaN層(5)、生長多周期量子阱發光層(4)、生長P型AlGaN層(3)、生長P型GaN層(2)、生 長AlGaN: Mg接觸層（1)以及退火處理； 生長AlGaN: Mg接觸層（1)具體為： P型GaN層(2)生長結束后，生長厚度為5-20nm的AlGaN:Mg接觸層（1 )，其中：所用MO源為 TMAl、TMGa、Cp2Mg;生長溫度為850°C-1050°C，生長壓力為 100_500Torr，V/m摩爾比為 1000-5000，A1組分的摩爾含量占 l%-20%，Mg摻雜濃度為lE19-lE21atom/cm3。2. 根據權利要求1所述的匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構的生長方法，其特征 在于，生長高溫GaN緩沖層(7)具體為： 低溫GaN成核層（8)生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，退火溫度升高至 1000°C-1100 °C，退火時間為5-10min;退火之后，將溫度調節至900°C-1050°C，繼續通入 TMGa，外延生長厚度為0.2-lum的高溫GaN緩沖層(7)，生長壓力為400-650Torr，V/m摩爾 比為 500-3000。3. 根據權利要求1所述的匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構的生長方法，其特征 在于，生長U型GaN層(6)具體為： 高溫GaN緩沖層（7)生長結束后，通入NH3和TMGa，生長厚度為l-3um非摻雜的U型GaN層 (6) ，其中：生長溫度為1050°C-1200°C，生長壓力為100_500Torr，V/m摩爾比為300-3000。4. 根據權利要求1所述的匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構的生長方法，其特征 在于，生長N型GaN層(5)具體為： U型GaN層(6)生長結束后，通入NH3、TMGa和SiH4，生長厚度為2-4um的N型GaN層(5)，生長 溫度為1050-1200°C，生長壓力為100_600Torr，V/m摩爾比為300-3000，Si的摻雜濃度為 8E18_2E19atom/cm 3。5. 根據權利要求1所述的匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構的生長方法，其特征 在于，生長多周期量子阱發光層(4)具體為： N型GaN層(5)生長結束后，生長多周期量子阱發光層(4)，所用MO源為TEGa、TMIn及SiH4; 多周期量子阱發光層(4)由5-15個周期的InyGal-yN/GaN阱皇結構組成，其中：量子阱 InyGa1-yN層的厚度為2-5nm，y = 0 · 1-0 · 3;生長溫度為700-800°C，生長壓力為 100_500Torr， V/m摩爾比為300-5000 ;GaN皇層的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950°C，生長壓力為 100-500Torr，V/m摩爾比為300-5000，Si組分的摩爾含量占0.5%-3%。6. 根據權利要求1所述的匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構的生長方法，其特征 在于，生長P型GaN層(2)具體為： P型AlGaN層(3)生長結束后，生長厚度為100-800nm的P型GaN層(2)，所用MO源為TMGa和 Cp2Mg;生長溫度為850-1000°C，生長壓力為100_500Torr，V/m摩爾比為300-5000，Mg摻雜 濃度為 lE17-lE18atom/cm3〇7. -種如權利要求1-6任意一項方法所得匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構，其 特征在于，包括從下往上依次層疊的藍寶石襯底(9)、低溫GaN成核層(8)、高溫GaN緩沖層 (7) 、U型GaN層(6)、N型GaN層(5)、多周期量子阱發光層(4)、P型AlGaN層(3)、P型GaN層(2)以 及AlGaN: Mg接觸層（1); 所述AlGaN = Mg接觸層（1)的生長厚度為5-20nm，Al組分的摩爾含量占 l%-20%，Mg摻雜 濃度為 lE19-lE21atom/cm3〇8. 根據權利要求7所述的匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構，其特征在于，多周期 量子阱發光層(4)由5-15個周期的In yGai-yN/GaN阱皇結構組成，一個周期的InyG ai-yN/GaN阱 皇結構包括一個厚度為2_5nm的量子阱InyGap yN層和一個厚度為8-15nm的GaN皇層，其中y =0.1-0.3〇9. 根據權利要求7所述的匹配AZO薄膜電流擴展層的LED外延結構，其特征在于，低溫 GaN成核層(8)的厚度為20-40nm;高溫GaN緩沖層(7)的厚度為0 · 2-lum; U型GaN層(6)的厚度 為l-3um; N型GaN層（5)的厚度為2-4um; P型AlGaN層（3)的厚度為50-200nm; P型GaN層（2)的 厚度為 100-800nm〇
【文檔編號】H01L33/42GK105957933SQ201610580625
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月21日
【發明人】林傳強
【申請人】湘能華磊光電股份有限公司