發光二極管外延結構及其生長方法和發光二極管的制作方法

發光二極管外延結構及其生長方法和發光二極管的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種發光二極管外延結構及其生長方法和發光二極管，生長方法包括：在襯底上，從下至上依次生長緩沖層、非摻雜層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層；其中，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度。本發明的生長方法能夠降低外延結構生長時由于晶格失配產生的內應力，從而避免由于內應力過大而造成的襯底崩裂或GaN晶體表面出現龜裂。
【專利說明】
發光二極管外延結構及其生長方法和發光二極管
技術領域
[0001]本發明涉及半導體制造技術，尤其涉及一種發光二極管外延結構及其生長方法和發光二極管。
【背景技術】
[0002]在半導體照明技術領域，隨著生產技術的進步以及生產效率的要求，在大尺寸襯底上進行生長GaN發光材料成為新的趨勢。然而，在利用大尺寸襯底進行外延生長時由于兩種晶體之間的晶格失配太大，晶格失配產生的應力會造成襯底崩裂或者外延層的龜裂。若上述問題能夠解決，可以為后續的芯片加工提高4倍或者更高的效率，并能使芯片在加工時的工藝更加穩定同時并可以節省大量的人力資源。

【發明內容】

[0003]針對上述缺陷，本發明提供一種發光二極管外延結構及其生長方法和發光二極管，該生長方法能夠降低外延結構生長時由于晶格失產生的內應力，從而避免由于內應力過大而造成的襯底崩裂或GaN晶體表面出現龜裂。
[0004]本發明提供一種發光二極管外延結構的生長方法，包括:
[0005]在襯底上，從下至上依次生長緩沖層、非摻雜層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型慘雜層；
[0006]其中，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度。
[0007]可選地，所述在所述非摻雜層的生長過程中，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度，包括:
[0008]在所述非摻雜層的生長過程中，通過所述非摻雜層的生長條件的梯度變化，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度。
[0009]可選地，所述生長條件包括:壓力、溫度和三甲基鎵源流量。
[0010]可選地，所述壓力的梯度變化按照式I或式2進行:
[0011]P = kpt+Po 式 I
[0012]P = kPt2+Po 式 2
[0013]其中，P為實時壓力，torr;kP為壓力變化率且1^<0; t為時間，min;Po為初始壓力，
torr ο
[0014]可選地，所述溫度的梯度變化按照式3或式4進行:
[0015]T = kxt+To 式 3
[0016]T = kxt2+To 式 4
[0017]其中，T為實時溫度，°C ；kT為溫度變化率且kT>0; t為時間，min;To為初始溫度，°C。
[0018]可選地，所述三甲基鎵源流量的梯度變化按照式5或式6進行:
[0019]G = kct+Go 式 5
[0020]G = kct2+Go 式 6
[0021]其中，G為實時三甲基鎵源流量，sccm;kG為三甲基鎵源流量變化率且kG<0;t為時間，min;Go為初始三甲基鎵源流量，seem。
[0022]可選地，控制所述實時壓力P<500torr。
[0023]可選地，控制所述實時溫度TS1100°C。
[0024]本發明還提供一種發光二極管外延結構，按照上述任一所述的生長方法得到。
[0025]本發明還提供一種發光二極管，該發光二極管包括上述的發光二極管外延結構。
[0026]本發明提供的發光二極管外延結構的生長方法，通過在襯底上，從下至上依次生長非摻雜層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層，并且控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度，從而將襯底層三氧化二鋁與氮化鎵GaN晶體之間由于晶格差異過大而生成的內應力通過逐漸縮小晶格差距的方法將內應力緩慢釋放，以此解決晶格失配過大造成的襯底崩裂，外延結構表面龜裂的現象，為設備利用率的提高和節省人力成本創造一定的條件。
【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖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性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1為現有技術的外延結構生長示意圖；
[0029]圖2為本發明實施例的外延結構生長示意圖；
[0030]圖3為現有技術的外延結構生長效果圖；
[0031 ]圖4為本發明實施例的外延結構生長示意圖。
【具體實施方式】
[0032]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033]本發明發光二極管外延結構的生長方法，目的在于解決現有技術中在利用大尺寸襯底進行外延結構生長時，由于兩種晶體之間的晶格失配過大而產生內應力造成的襯底崩裂或者外延層龜裂的問題。
[0034]本發明在發光二極管外延結構的生長中，通過控制非摻雜層生長時晶體的生長方向、成核粒度(即成核大小)以及成核密度，降低由于晶格失配而產生的內應力，從而有效地解決了由于晶格失配過大而造成的襯底崩裂、外延結構表面龜裂的現象。
[0035]本發明的發光二極外延結構的生長方法包括:在襯底上，從下至上依次生長緩沖層、非摻雜層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層；
[0036]其中，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度。
[0037]本發明實施中，在襯底上從下至上依次生長緩沖層、非摻雜層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層，可選地，所述襯底的材質可以選自藍寶石圖形化襯底、藍寶石平片襯底、硅外延襯底中的任一種。可選地，先對襯底進行高溫清潔處理;在熱處理后的襯底上由下至上依次生長GaN緩沖層、GaN非摻雜層、摻娃元素的N型GaN摻雜層;進一步地，在所述GaN摻雜層上生長GaN/InGaN/GaN量子阱發光層和P型GaN層。
[0038]其中，緩沖層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層在生長過程中，可以按照現有技術的生長條件進行生長，不需要對各層生長的晶體進行條件參數控制看。當緩沖層生長結束后，開始進行非摻雜層的生長時，本發明需要對非摻雜層生長的晶體進行控制，具體地，通過控制非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度，調整由于襯底與晶體之間失配過大而產生的應力。
[0039]可選地，所述非摻雜層的生長過程中，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度，包括:在所述非摻雜層的生長過程中，通過所述非摻雜層的生長條件的梯度變化，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度。
[0040]具體地，在緩沖層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層各層晶體的生長過程中，各層的生長條件是恒定不變的，不會隨著緩沖層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層各層晶體厚度的生長而發生生長條件的調整和改變，直至下一層的生長才會發生生長條件的調整和改變。而在本發明的非摻雜層的生長過程中，非摻雜層的晶體生長條件是在不斷發生變化的，本發明在非摻雜層生長過程中，通過生長條件的梯度變化控制非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度，從而逐步釋放由于晶格失配而產生的內應力，最終避免了襯底崩裂或者外延結構龜裂的風險。
[0041]其中，可以具體通過控制非摻雜層生長條件中的壓力參數、溫度參數以及三甲基鎵源流量參數發生梯度變化，而達到控制非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度的目的。
[0042]以下，以在非摻雜層的生長過程中，壓力參數、溫度參數以及三甲基鎵源流量參數的具體梯度變化為例，詳細介紹本發明的能夠控制襯底與GaN晶體之間應力的發光二極管外延結構的生長方法。
[0043]1、壓力參數
[0044]在非摻雜層的生長過程中，可以將壓力條件按照式I或式2進行梯度變化:
[0045]P = kPt+Po 式 I
[0046]P = kPt2+Po 式 2
[0047]其中，P為實時壓力，torr;kP為壓力變化率且匕<0; t為時間，min;Po為初始壓力，
torr ο
[0048]具體地，在非摻雜層開始生長時，可以對反應室的壓力進行設置，使在非摻雜層生長過程中，反應室內的壓力可以按照式I或者式2的進行變化，式I和式2分別是壓力關于時間的一次函數和二次函數，也就是說，在非摻雜層的生長過程中，反應室內的壓力是隨著時間不斷發生變化的，由于kP<0，所以本發明的非摻雜層的生長過程中，反應室內的壓力是不斷減小的。
[0049]一般的，初始壓力Po可以設定在400_500torr之間，隨著時間的延長，反應室內的壓力從初始壓力值開始不斷降低，變成每時刻的實時壓力。此處需要注意的是，在非摻雜層的生長過程中，不需要對其全部的生長過程進行晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度的控制，也就是說壓力的梯度變化可以只發生在非摻雜生長層的前期生長過程中，一般的，可以通過對式I或者式2中的時間參數t進行控制，從而控制非摻雜層生長過程中壓力發生梯度變化的時長，因為當在壓力、溫度以及三甲基鎵源流量不斷發生變化的條件下，非摻雜層的厚度生長到300-800nm厚度時，基本上晶體的位錯密度已經減小的到一定程度，足以將晶格失配的影響降低，因此，一般控制t為30min。式中的壓力變化率kP不是對具體的工藝參數進行限制，其具體數值的調節可由技術人員根據器件的需要確定。當非摻雜層生長的壓力條件按照式I或者式2進行變化時，其實時壓力P<500torr，一般，當壓力的變化按照設定的時間完成時，反應室的最終壓力為200-300torr。
[0050]2、溫度參數
[0051]在非摻雜層的生長過程中，可以將溫度條件按照式3或式4進行梯度變化:
[0052]T = kxt+To 式 3
[0053]T = kxt2+To 式 4
[0054]其中，T為實時溫度，°C ；kT為溫度變化率且kT>0; t為時間，min; To為初始溫度，°C。
[0055]具體地，在非摻雜層開始生長時，可以對反應室的溫度進行設置，使在非摻雜層生長過程中，反應室內的溫度可以按照式3或者式4進行變化，式3和式4分別是溫度關于時間的一次函數和二次函數，也就是說，在非摻雜層的生長過程中，反應室內的溫度是隨著時間不斷發生變化的，由于kT>0，所以本發明的非摻雜層的生長過程中，反應室內的溫度是不斷升尚的。
[0056]一般的，初始溫度To可以設定在850_980°C之間，隨著時間的延長，反應室內的溫度從初始溫度值開始不斷升高，變成每時刻的實時溫度。此處需要注意的是，在非摻雜層的生長過程中，不需要對其全部的生長過程進行晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度的控制，也就是說溫度的梯度變化可以只發生在非摻雜生長層的前期生長過程中，一般的，可以通過對式3或者式4中的時間參數t進行控制，從而控制非摻雜層生長過程中溫度發生梯度變化的時長，因為當在壓力、溫度以及三甲基鎵源流量不斷發生變化的條件下，非摻雜層的厚度生長到300-800nm厚度時，基本上晶體的位錯密度已經減小的到一定程度，足以將晶格失配的影響降低，因此，一般控制t為30min。式中的壓力變化率kT不是對具體的工藝參數進行限制，其具體數值的調節可由技術人員根據器件的需要確定。當非摻雜層生長的壓力條件按照式3或者式4進行變化時，其實時壓力TSllOOtC，一般，當壓力的變化按照設定的時間完成時，反應室的最終壓力為1050-1100 °C。
[0057]3、三甲基鎵源流量
[0058]在非摻雜層的生長過程中，可以將三甲基鎵源流量按照式5或式6進行梯度變化:
[0059]G = kct+Go 式 5
[0060]G = kct2+Go 式 6
[0061 ] 其中，G為實時三甲基鎵源流量，sccm;kG為三甲基鎵源流量變化率且kG<0;t為時間，min;Go為初始三甲基鎵源流量，seem。
[0062]具體地，在非摻雜層開始生長時，可以對反應室的三甲基鎵源流量進行設置，使在非摻雜層生長過程中，反應室內的三甲基鎵源流量可以按照式5或者式6進行變化，式5和式6分別是三甲基鎵源流量關于時間的一次函數和二次函數，也就是說，在非摻雜層的生長過程中，反應室內的三甲基鎵源流量是隨著時間不斷發生變化的，由于kc<0，所以本發明的非摻雜層的生長過程中，反應室內的三甲基鎵源流量是不斷減小的。
[0063]一般的，初始壓力Go可以設定在400-500sccm之間，隨著時間的延長，反應室內的三甲基鎵源流量從初始三甲基鎵源流量值開始不斷降低，變成每時刻的實時三甲基鎵源流量。此處需要注意的是，在非摻雜層的生長過程中，不需要對其全部的生長過程進行晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度的控制，也就是說三甲基鎵源流量的梯度變化可以只發生在非摻雜生長層的前期生長過程中，一般的，可以通過對式5或者式6中的時間參數t進行控制，從而控制非摻雜層生長過程中三甲基鎵源流量發生梯度變化的時長，因為當在壓力、溫度以及三甲基鎵源流量不斷發生變化的條件下，非摻雜層的厚度生長到300-800nm厚度時，基本上晶體的位錯密度已經減小的到一定程度，足以將晶格失配的影響降低，因此，一般控制t為30min。式中的壓力變化率kc不是對具體的工藝參數進行限制，其具體數值的調節可由技術人員根據器件的需要確定。當非摻雜層生長的壓力條件按照式5或者式6進行變化時，其實時三甲基鎵源流量G<500sCCm，一般，當三甲基鎵源流量的變化按照設定的時間完成時，反應室的最終三甲基鎵源流量為200-400SCCm。
[0064]下面采用具體的實施例，進行詳細說明。
[0065]實施例1
[0066]以在四英寸藍寶石襯底上生長GaN材料為例，襯底的翹曲為-30，襯底的厚度為450umo
[0067]I.將圖形化(Patterned Sapphire Substrate，簡稱:PSS)藍寶石襯底放入反應室中，N2:H2:NH3的流量比例為(0:150:0)SLM，反應室壓力為500Torr，將溫度升高到1080°C，轉速1200轉/秒，穩定300s，對襯底進行高溫凈化。
[0068]2.降低溫度至540°C，N2:H2:NH3比例為(75: 150:56)SLM，反應室壓力控制在500Torr，轉速500轉/秒，生長40nm厚的低溫GaN緩沖層。
[0069]3.為了將外延層與藍寶石之間由于晶格失配造成的內應力降低到最小，在本步驟非摻雜層的生長過程中采用本發明提供的生長方法進行生長底層的晶體:
[0070]A、在緩沖層的基礎上將溫度升高到1040°C進行退火處理，同時生長的氣流條件，N2:H2:NH3的流量比例為(76:50:120)SLM，壓力條件為500torr，三甲基鎵TMGa源流量設置為Osccm,
[0071]B、將溫度從1040°C降低到950°C，氣流、壓力、源流量等各條件保持不變，
[0072]C、將初始的生長時間設定在30分鐘，溫度950°C，同時生長的氣流條件，N2:H2:NH3的流量比例為(76:50:120)3111，壓力條件為500切^了1?^源的流量設定為4008(^111，并且設定壓力參數按照式I進行變化，溫度參數按照式3進行變化，TMGa源流量按照式5進行變化，
[0073]D、在上一步的基礎上將生長條件以一定的線性比例變換后，30min結束后，最終的生長條件為，溫度10500C，氣流條件，N2:H2:NH3的流量比例為(50:80:90)，壓力為200torr，TMGa的流量為200sccm，此時晶體的厚度為300nmo
[0074]4、在此基礎上，將溫度升高到1100°C，N2:H2:NH3的流量比例為
[0075](64:120:50)SLM，反應室壓力控制在200Torr，生長1800nm厚度的U-GaN層。
[0076]5、將溫度保持在1050°(:，，犯:出:冊3的流量比例為(64:120:50)3111，反應室壓力控制在200Torr，生長400nm厚度的N-GaN層。
[0077]6、將溫度控制在750-880 °C，N2:H2:NH3的流量比例為(70:0:50)SLM，反應室壓力控制在200Torr ,770 °C時生長量子阱，880 V時生長量子皇，共12對量子阱發光層。
[0078]7、將溫度升高到980°C，，N2:H2:NH3的流量比例為(64:120:50)SLM，反應室壓力控制在200Torr，生長P-GaN層，厚度為300nm。
[0079]圖1為現有技術的外延結構生長示意圖，圖2為本發明實施例的外延結構生長示意圖。根據圖1和圖2的對比可以清楚地看出，在利用本發明提供的技術生長時，晶格的尺寸大小為逐漸變小。
[0080]圖3為現有技術的外延結構生長效果圖，圖4為本發明實施例的外延結構生長示意圖。圖3明顯可以看出現有技術生長的外延結構存在龜裂，而圖4中本發明方法生長的外延結構表面平整，無龜裂發生。
[0081 ] 實施例2
[0082]以在四英寸藍寶石襯底上生長GaN材料為例，襯底的翹曲為-60，襯底的厚度為400umo
[0083]I.將圖形化(Patterned Sapphire Substrate，簡稱:PSS)藍寶石襯底放入反應室中，N2:H2:NH3的流量比例為(0:150:0)SLM，反應室壓力為500Torr，將溫度升高到1070°C，轉速1200轉/秒，穩定300s，對襯底進行高溫凈化。
[0084]2.降低溫度至540°C，N2:H2:NH3比例為(75: 150:56)SLM，反應室壓力控制在500Torr，轉速500轉/秒，生長40nm厚的低溫GaN緩沖層。
[0085]3.為了將外延層與藍寶石之間由于晶格失配造成的內應力降低到最小，在本步驟非摻雜層的生長過程中采用本發明提供的生長方法進行生長底層的晶體:
[0086]A、在緩沖層的基礎上將溫度升高到1040°C進行退火處理，同時生長的氣流條件N2:H2:NH3的流量比例為(76:50:120)SLM，壓力條件為500torr，三甲基鎵TMGa源流量設置為Osccm,
[0087]B、將溫度從1040°C降低到950°C，氣流、壓力、源流量等各條件保持不變，
[0088]C、將初始的生長時間設定在25分鐘，溫度980°C，同時生長的氣流條件N2:H2:NH3的流量比例為(50:100:60) SLM，壓力條件為450torr，TMGa源的流量設定為500sccm，并且設定壓力參數按照式2進行變化，溫度參數按照式4進行變化，TMGa源流量按照式6進行變化，
[0089]D、在上一步的基礎上將生長條件以一定的線性比例變換，25min結束后，最終的生長條件為，溫度1050 °C，氣流條件N2: H2: NH3的流量比例為(75:60:90 )，壓力為200torr，TMGa的流量為400sCCm，此時晶體的厚度為500nmo
[0090]4、在此基礎上，將溫度升高到1100°C，N2:H2:NH3的流量比例為(64:120:50)SLM，反應室壓力控制在200Torr，生長1800nm厚度的U-GaN層。
[0091]5、將溫度保持在1050°C，N2:H2:NH3的流量比例為(64:120:50)SLM，反應室壓力控制在200Torr，生長400nm厚度的N-GaN層。
[0092]6、將溫度控制在750-880 °C，N2:H2:NH3的流量比例為(70:0:50)SLM，反應室壓力控制在200Torr ,770 °C時生長量子阱，880 V時生長量子皇，共12對量子阱發光層。
[0093]7、將溫度升高到980 °C,N2 = H2 = NH3的流量比例為(64:120:50) SLM，反應室壓力控制在200Torr，生長P-GaN層，厚度為300nm。
[0094]本領域普通技術人員可以理解:實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成。前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟;而前述的存儲介質包括:R0M、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0095]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
【主權項】
1.一種發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，包括: 在襯底上，從下至上依次生長緩沖層、非摻雜層、N型摻雜層、量子阱發光層及P型摻雜層； 其中，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度。2.根據權利要求1所述的發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，所述在所述非摻雜層的生長過程中，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度，包括: 在所述非摻雜層的生長過程中，通過所述非摻雜層的生長條件的梯度變化，控制所述非摻雜層晶體的生長方向、成核粒度以及成核密度。3.根據權利要求2所述的發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，所述生長條件包括:壓力、溫度和三甲基鎵源流量。4.根據權利要求3所述的發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，所述壓力的梯度變化按照式I或式2進行: P = kPt+Po式 I P = kPt2+Po 式 2 其中，P為實時壓力，torr; kP為壓力變化率且匕<0; t為時間，min;Po為初始壓力，torr。5.根據權利要求3所述的發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，所述溫度的梯度變化按照式3或式4進行: T = kTt+To式 3 T = kxt2+To 式 4 其中，T為實時溫度，。C ;kT為溫度變化率且kT>O; t為時間，min;To為初始溫度，。C。6.根據權利要求3所述的發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，所述三甲基鎵源流量的梯度變化按照式5或式6進行: G = kct+Go式 5 G = kct2+Go 式 6 其中，G為實時三甲基鎵源流量，sccm;kG為三甲基鎵源流量變化率且kG<0;t為時間，min ； Go為初始三甲基鎵源流量，seem。7.根據權利要求4所述的發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，控制所述實時壓力P^i5OOtorr。8.根據權利要求5所述的發光二極管外延結構的生長方法，其特征在于，控制所述實時溫度T<1100°C。9.一種發光二極管外延結構，其特征在于，按照權利要求1-8任一所述的生長方法得到。10.一種發光二極管，其特征在于，包括上述權利要求9所述的發光二極管外延結構。
【文檔編號】H01L33/00GK106098866SQ201610495474
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】焦建軍, 黃小輝, 周德保, 康建, 梁旭東
【申請人】圓融光電科技股份有限公司