具有翹曲調(diào)節(jié)結構層的led外延結構及其生長方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)生長翹曲程度提升產(chǎn)品良率的LEDLED(發(fā)光二極管)的外延結構生長方法，屬于LED制備技術領域。
【背景技術】
[0002]寬禁帶半導體是繼硅和砷化鎵之后的第三代半導體材料，近年來越來越受到人們的重視，目前廣泛研究的主要包含了II1-V族與I1-VI化合物半導體材料、碳化硅(SiC)和金剛石薄膜等，在藍綠光、紫外光LED、LD、探測器和微波功率器件等方面獲得了廣泛的應用。由于其優(yōu)良的特性和廣泛的應用，受到廣泛的關注。特別是m-v族半導體材料中的氮化鎵(GaN)材料，由于其在半導體照明應力的商業(yè)化應用，成為了當今全球半導體領域的研究熱點。
[0003]ΙΠ族氮化物材料包含AlN、GaN、InN和他們的合金，通過控制其組份，可使其禁帶寬度從InN的0.9eV至AlN的6.2eV連續(xù)變化，對應的波長范圍覆蓋整個可見光區(qū)，并可延伸至紫外區(qū)域。這一類材料是直接帶隙材料，并具有熱導率高、發(fā)光效率高、介電常數(shù)小、化學性質(zhì)穩(wěn)定、硬度大和耐高溫等特點，是制作激光二極管(LD)、高亮度藍綠光發(fā)光二極管(LED)和異質(zhì)結場效應晶體管(HFETs)等器件的理想材料。尤其是其中的LED器件，已在半導體照明領域獲得了廣泛的應用。
[0004]LED由于發(fā)光效率高、功耗低、不含有毒物質(zhì)汞、綠色環(huán)保，從而贏得關注。隨著發(fā)光二極管LED的發(fā)光效率的迅速改善，亮度的快速提高，LED具有越來越廣闊的市場。
[0005]對于GaN藍光LED來說，外延片產(chǎn)品的單片片內(nèi)參數(shù)均勻性非常重要，這些參數(shù)包含波長、厚度、摻雜等。在規(guī)?；a(chǎn)過程中，由于藍寶石(Al2O3)襯底與GaN材料之間的晶格失配以及熱失配，在外延生長過程中會影響LED外延片的整體翹曲程度，以致在生長量子阱區(qū)(MQW)時外延片的溫場和生長狀態(tài)會因自身翹曲而產(chǎn)生差異，所生長出來的LED外延片的波長以及電性參數(shù)單片片內(nèi)將存在較大的差異，最終影響到LED產(chǎn)品參數(shù)的單片均勻性。
[0006]因此，有必要提出一種LED生長工藝，調(diào)節(jié)和改變MQW生長前的外延片翹曲程度，優(yōu)化LED外延片的單片片內(nèi)均勻性，提高LED外延片產(chǎn)品的單片片內(nèi)參數(shù)均勻性，提高產(chǎn)品良率。
[0007]中國專利文獻CN105070652A公開的《GaN層生長方法及所得LED外延層和LED芯片》，是在成核層上分別生長兩層GaN層，通過調(diào)節(jié)這兩層GaN層的生長時間、壓力和溫度，實現(xiàn)對GaN晶體的分段生長，使分段生長所得具有少許差別的GaN晶體相互配合，從而實現(xiàn)GaN晶體的結晶質(zhì)量的提升，并減少GaN晶體與襯底晶體之間的晶格失配。該方法只是從過渡生長的手段減少晶格失配，效果一般，并不是從直接改變生長翹曲的方面進行研究，不能通過改變翹曲實現(xiàn)對單片片內(nèi)參數(shù)均勻性的提升。
[0008]中國專利文獻CN104409590A公開的《LED外延結構及其生長方法》，是一種在高溫N型GaN層上生長Si3N4/GaN超晶格層和不摻雜的GaN層交替排列的過渡層，減少高溫N型GaN層和發(fā)光層之間的應力。該方法并不能對MQW前外延片翹曲程度進行有效調(diào)節(jié)，且在高溫N型 GaN和發(fā)光區(qū)之間插入過渡層，會極大的影響LED產(chǎn)品的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對現(xiàn)有LED生長技術存在的生長翹曲問題，提供一種能夠提高LED外延片參數(shù)均勻性、提升LED產(chǎn)品良率的具有翹曲調(diào)節(jié)結構層的LED外延結構及其生長方法。
[0010]本發(fā)明的具有翹曲調(diào)節(jié)結構層的LED外延結構，采用以下技術方案:
[0011]該外延結構，自下至上依次包含藍寶石襯底、成核層、粗化層、高溫GaN層、高溫N型GaN層、發(fā)光層、P型AlGaN層和P型GaN層，在高溫GaN層與高溫N型GaN層之間設置有翹曲調(diào)節(jié)結構層，該翹曲調(diào)節(jié)結構層為S i 3N4層、第一 GaN層、AI GaN層和第二 GaN層的超晶格層，周期數(shù)為1-40。
[0012]所述翹曲調(diào)節(jié)結構層的單周期厚度為31-1930nm。
[0013]所述Si3N4層的厚度是l_30nm。
[0014]所述第一 GaN層的厚度是10-800nm。
[0015]所述AlGaN層的厚度是10-300nm。
[0016]所述第二 GaN層的厚度是10-800nm。
[0017]上述外延結構，利用Si3N4、GaN、AlGaN以及藍寶石襯底之間的晶格常數(shù)差異和熱膨脹系數(shù)差異，通過調(diào)整Si3N4層和AlGaN層的生長參數(shù)，達到調(diào)節(jié)外延片生長翹曲程度的目的，同時通過Si3N4/GaN/AlGaN/GaN超晶格層減少底層生長位錯向發(fā)光層的延伸，誘導位錯在Si3N4/GaN/AlGaN/GaN超晶格層中終結形成位錯環(huán)，使得原本的位錯不再繼續(xù)延伸，提高晶體生長質(zhì)量。
[0018]本發(fā)明具有翹曲調(diào)節(jié)結構層的LED外延結構的生長方法，包括以下步驟:
[0019](I)在金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備的反應室中，在藍寶石襯底上依次生長GaN成核層、粗化層、尚溫GaN層；
[0020]這三層的具體生長條件可采用現(xiàn)有常規(guī)LED外延結構的生長條件。
[0021](2)生長翹曲調(diào)節(jié)結構層，具體步驟如下:
[0022]①溫度設定700-1200°C，反應室壓力設定50-300torr，通入20000-150000sccm的N2(氮氣)、0-150000sccm的H2(氫氣)、3000-90000sccm的NH3(氨氣)以及5-200sccm的SiH4(硅烷)，生長Si3N4層，厚度l_30nm;
[0023]②溫度設定700-1200°C，反應室壓力設定50-300torr，通入5-1000sccm的TMGa、20000-150000sccm 的 N2(氮氣)、0-150000sccm 的 H2(氫氣)和 3000-90000sccm 的 NH3(氨氣)或者是通入 5-1000sccm 的 TEGa、20000-150000sccm 的 N2(氮氣)、0-150000sccm 的 H2(氫氣)和3000-90000sccm的NH3(氨氣)，生長第一GaN層，厚度 10_800nm；
[0024]③溫度設定700-1200°C，反應室壓力設定50-300torr，通入l-200sccm的TMA1、5-1OOOsccm 的了]\?^、20000-1500008。。111的吣(氮氣)、0-1500008。。111的!12(氫氣)和3000-90000sccm的NH3(氨氣)，生長AlGaN層，厚度 10_300nm；
[0025]④溫度設定700-1200°C，反應室壓力設定50-300torr，通入5-1000sccm的TMGa、20000-150000sccm 的 N2(氮氣)、0-150000sccm 的 H2(氫氣)和 3000-90000sccm 的 NH3(氨氣)或者通入 5-1000sccm 的 TEGa、20000-150000sccm 的 N2(氮氣)、0-150000sccm 的 H2(氫氣)和3000-90000sccm的NH3(氨氣)，生長第二GaN層，厚度 10_800nm；
[0026]按上述過程生長1-40個周期；
[0027](3)在翹曲調(diào)節(jié)結構層上依次生長高溫N型GaN層、發(fā)光層、P型AlGaN層和P型GaN層。這四層的具體生長條件可采用現(xiàn)有常規(guī)LED外延結構的生長條件。
[0028]所述翹曲調(diào)節(jié)結構層中Si3N4層和AlGaN層生長條件可以相同也可以不同，當Si3N4層和AlGaN層生長條件不同時，可通過中間的GaN層過渡條件變化；
[0029]本發(fā)明在LED外延結構中設置翹曲調(diào)節(jié)結構層，生長發(fā)光層之前，通過調(diào)節(jié)Si3N4層厚度和SiH4流量、調(diào)節(jié)AlGaN層厚度和Al組分，進行配合，調(diào)節(jié)外延片生長過程中的翹曲程度。改善了發(fā)光層生長過程中外延片片內(nèi)生長條件均勻性，提高了 LED外延片產(chǎn)品單片片內(nèi)參數(shù)均勻性，提高了LED外延片良率。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明具有翹曲調(diào)節(jié)結構層的LED外延結構的示意圖。
[0031]圖2是本發(fā)明中翹曲調(diào)節(jié)結構層的結構示意圖。
[0032]圖中:1、藍寶石襯底;2、成核層;3、粗化層;4、高溫GaN層;5、翹曲調(diào)節(jié)結構層;51、Si3N4 層，52、第一 GaN 層，53、AlGaN層，54、第二 GaN層，6、高溫 N 型 GaN層；7、發(fā)光層；8、P型AlGaN層;9、P型GaN層。
【具體實施方式】
[0033]如圖1所示，本發(fā)明具有翹曲調(diào)節(jié)結構層的LED外延結構，自下至上依次包含藍寶石襯底1、成核層2、粗化層3、高溫GaN層4、有翹曲調(diào)節(jié)結構層5、高溫N型GaN層6、發(fā)光層7、P型AlGaN層8和P型GaN層9，在高溫GaN層4與高溫N型GaN層6之間設置有翹曲調(diào)節(jié)結構層5。如圖2所示，翹曲調(diào)節(jié)結構層5是Si3N4層51、第一 GaN層52、