一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法，分别以氨气、高纯三甲基铟(TMIn)、TMAl、TEGa、以及高纯三甲基镓(TMGa)为源，分别以SiH4和Cp2Mg作为n和p型掺杂剂，以氢气或氮气为载气，通入反应室与氨气在900～1100℃发生化学反应，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，在蓝宝石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉积，制成所述外延结构。本发明专利技术通过工艺参数优化和调整将外延材料晶体质量(缺陷密度)控制在合理范围，晶体质量对产品的光电参数都存在一定的影响，采用修复层及基底技术提高衬底转移良品率，修复层及基底技术可以良好的释放衬底与外延层之间应力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，具体涉及一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法。
技术介绍
LED产品的波长、亮度、正向电压等主要参数均取决于外延生长工艺，因此外延生长是LED制造工艺的核心组成部分。外延生长技术与设备是外延材料制造的关键所在，化合物半导体一般采用化学合成方法来制备，按照沉积技术的不同分为LPE(液相沉积)、MOCVD(金属有机化学气相沉积)、HVPE(氢化物气相沉积)和MBE(分子束沉积)等。LPE的技术成熟，生长速度较快但无法生长量子阱、超晶格材料；氢化物汽相外延，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术，生长速率快，但晶格质量较差，适用范围小；MBE工艺控制能力好，易长成极薄的外延层，纯度高平整性好，但生长速度慢导致量产能力较低。MOCVD技术具备MBE具有大多数优点外，其量产能力较MBE高很多，综合考虑LED生产均采用MOCVD生长技术。目前外延生长工艺主要是针对水平结构芯片，为降低产品的正向电压，在P-GaN表面做了相应外延结构设计；为提高发光效率使用图形化衬底生长或采用P-GaN表面粗化技术，但这些工艺技术对于垂直结构LED芯片而言，不仅无法实现其设计初衷，甚至会影响产品最终的性能，因此必须研发出适合垂直结构芯片的外延结构。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，。本专利技术采用以下技术方案：一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法，分别以氨气、高纯三甲基铟、TMAl、TEGa、以及高纯三甲基镓为源，分别以SiH4和Cp2Mg作为n和p型掺杂剂，以氢气或氮气为载气，通入反应室与氨气在900～1100℃发生化学反应，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，在蓝宝石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉积，制成所述外延结构。进一步的，所述方法包括以下步骤：步骤1：在1070～1090℃温度下、压力为150torr下通N2烘烤10～30min，氮化蓝宝石、SiC或Si衬底；步骤2：将步骤1氮化后的蓝宝石、SiC或Si衬底降温至515～535℃、压力为800torr，然后在衬底上生长厚度为0.8～1.2μm的低应力缓冲层，随后升温至1030～1050℃、压力为400torr使低应力缓冲层重新结晶，再生长0.8～1μm的N型粗化层；步骤3：升温至1070～1090℃、压力为200torr先生长轻Si掺杂的N型电极层，厚度为0.8～1μm，再生长重Si掺杂的N型GaN层，厚度为1.8～2.5μm；步骤4：在N型GaN层的基础上生长n-GaN电子扩散层，厚度为80～120nm；步骤5：在阱的生长温度740～760℃，垒的生长温度为820～840℃、压力为200torr下生长18～23个周期的InGaN/GaN超晶格作为多量子阱层，多量子阱层厚度为150～200nm；步骤6：升温至960～980℃，压力为150torr生长PAlGaN电子阻挡层，厚度为20～50nm；降温至920～940℃，压力为150torr生长Mg掺杂的P型GaN层，厚度为100～150nm；生长高Mg掺杂的P型GaN电极层，厚度为10～20nm；步骤7：生长CTL层，厚度为10～30nm，然后降温至700～730℃进行退火60～120min，之后随炉冷却。进一步的，步骤4中，所述n-GaN电子扩散层上再生长应力释放层，厚度为100nm；原料为TMGa、SiH4和NH3。进一步的，所述步骤5具体为：先生长10～15个周期厚度为80～100nm的In轻掺杂的InGaN/GaN超晶格，具体为：先生长30～40nm的GaN-cap层，再生长5～10nm的barrierGaN层，最后生长1.5～2nm的InGaN阱层。进一步的，所述步骤5中，再生长8个周期厚度为100～150nm的In重掺杂的InGaN/GaN，具体为：先生长10～15nm的barrierGaN层，再生长2～5nm的InGaN阱层，最后生长30～40nm的GaN cap层。进一步的，步骤6中，所述P型GaN层包括空穴扩散层和空穴注入层，所述空穴扩散层厚度为30～50nm，所述空穴注入层厚度为50～100nm。进一步的，所述PAlGaN电子阻挡层厚度为30nm，所述P型GaN层厚度为110nm，所述P型GaN电极层厚度为10nm，所述空穴扩散层厚度为30nm，所述空穴注入层厚度为80nm。进一步的，步骤2中，所述低应力缓冲层厚度为1.2μm，所述N型粗化层厚度为0.8μm。进一步的，步骤3中，所述N型电极层厚度为0.8μm，所述N型GaN层厚度为2μm。进一步的，步骤7中，所述CTL层厚度为10nm。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法，以氨气、TMIn、TMAl、TEGa、以及TMGa为源，分别以SiH4和Cp2Mg作为n和p型掺杂剂，以氢气或氮气为载气，通入反应室与氨气在900～1100℃发生化学反应，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，在蓝宝石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉积，制成外延结构，可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等，生长速率调节范围较广，较快的生长速率能够适用于批量生长。进一步的，采用低应力外延结构设计，在衬底和外延层之间插入新型过渡层，有效减小外延层与衬底之间的适配度，同时对外延结构优化进一步释放外延层应力。翘曲度小于250km-1。低位错密度外延，通过预成核方法，在外延生长之前于衬底上形成晶体质量较好晶核，提供后续外延高质量生长的基础。位错密度低于5E108/cm2。进一步的，采用非对称啁啾能带结构，在LED有源层加载非对称啁啾能带结构，降低基于LED量子阱层由于极化效应产生的载子波函数失配，使其分布比例更加均匀。提高LED器件的内量子效率，提升芯片发光效率。进一步的，采用高注入电流外延结构，在有源区和P型GaN间插入电子阻挡层，有效解决大电流注入效率降低的问题，在电子阻挡层和P型GaN间插入空穴扩散层，解决了大电流下空穴不足问题。提高垂直芯片电流注入，最大电流注入可达到2A，脉冲工作方式电流更高。进一步的，空穴扩散层和空穴注入层采用载流子调制技术，调控电子和空穴的分布状态，促进电流均匀分布，保证垂直芯片在大电流工作状况下光电参数性能稳定。特殊量子阱结构和空穴注入结构设计，提高LED电流饱和阈值，高电流密度下，随电流增加亮度持续增加。进一步的，通过工艺参数优化和调整将外延材料晶体质量(缺陷密度)控制在合理范围，晶体质量对产品的光电参数都存在一定的影响。综上所述，采用低应力缓冲层技术提高衬底转移良品率，低应力缓冲层技术可以良好的释放衬底与外延层之间应力。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。【附图说明】图1为本专利技术外延结构示意图。【具体实施方式】本专利技术一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法，在外延生长结构设计上，需兼顾衬底和外延层晶格匹配、外延剥离和外延质量两方面因素。使其对于缓冲层生长调整、外延缺陷控制和不同材料间应力调节控制的要求，比水平芯片要更加复杂和困难。所以本项目必须设计开发出适合于垂直结构芯片专用的外延结构，改善和提升垂直结构芯片应力控制和产品光电性能。因此专本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法，其特征在于，分别以氨气、高纯三甲基铟、TMAl、TEGa、以及高纯三甲基镓为源料，分别以SiH4和Cp2Mg作为n和p型掺杂剂，以氢气或氮气为载气，通入反应室与氨气在900～1100℃发生化学反应，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，在蓝宝石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉积，制成所述外延结构。

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法，其特征在于，分别以氨气、高纯三甲基铟、TMAl、TEGa、以及高纯三甲基镓为源料，分别以SiH4和Cp2Mg作为n和p型掺杂剂，以氢气或氮气为载气，通入反应室与氨气在900～1100℃发生化学反应，生成Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，在蓝宝石、硅片、碳化硅片或石英玻璃片上按一定的晶格次序沉积，制成所述外延结构。2.根据权利要求1所述的一种垂直结构LED蓝光外延的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：在1070～1090℃温度下、压力为150torr下通N2烘烤10～30min，氮化蓝宝石、SiC或Si衬底；步骤2：将步骤1氮化后的蓝宝石、SiC或Si衬底降温至515～535℃、压力为800torr，然后在衬底上生长厚度为0.8～1.2μm的低应力缓冲层，随后升温至1030～1050℃、压力为400torr使低应力缓冲层重新结晶，再生长0.8～1μm的N型粗化层；步骤3：升温至1070～1090℃、压力为200torr先生长轻Si掺杂的N型电极层，厚度为0.8～1μm，再生长重Si掺杂的N型GaN层，厚度为1.8～2.5μm；步骤4：在N型GaN层的基础上生长n-GaN电子扩散层，厚度为80～120nm；步骤5：在阱的生长温度740～760℃，垒的生长温度为820～840℃、压力为200torr下生长18～23个周期的InGaN/GaN超晶格作为多量子阱层，多量子阱层厚度为150～200nm；步骤6：升温至960～980℃，压力为150torr生长PAlGaN电子阻挡层，厚度为20～50nm；降温至920～940℃，压力为150torr生长Mg掺杂的P型GaN层，厚度为100～150nm；生长高Mg掺杂的P型GaN电极层，厚度为10～20nm；步骤7：生长CTL层，厚度为10～30nm，然后降温至700～730℃进行退火60～120min，之后随炉冷却。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：田进，刘波波，田伟，赵俊，李谊，
申请(专利权)人：中联西北工程设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61