發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法和發(fā)光二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，尤其涉及一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法和發(fā)光二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Lighting Emitting D1de，簡(jiǎn)稱LED)以體積小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域的電子設(shè)備。
[0003]發(fā)光二極管的發(fā)光效率主要決定于發(fā)光二極管外延機(jī)構(gòu)的外量子效率，而外量子效率是內(nèi)量子效率與光提取率的乘積，因此提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法大致可以從提高外延結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率和光提取率兩方面入手，由于外延結(jié)構(gòu)多有氮化鎵生成，而氮化鎵的折射率為2.4，光的出射角為24.6°，因此其光的提取效率比僅為4.5%。
[0004]非輻射復(fù)合中心是影響內(nèi)量子效率的主要原因，非輻射復(fù)合中心的降低有助于內(nèi)量子效率的提高，而位錯(cuò)密度對(duì)非輻射復(fù)合中心影響極大，降低位錯(cuò)密度有利于非輻射復(fù)合中心的降低，但是由于大多數(shù)的外延結(jié)構(gòu)在襯底層上屬于異質(zhì)生長(zhǎng)，因此電子極易躍迀至位錯(cuò)線附近，使位錯(cuò)密度過(guò)高，從而導(dǎo)致內(nèi)量子效率難以提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管外延機(jī)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法和發(fā)光二極管，通過(guò)阻止非輻射復(fù)合的發(fā)生，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
[0006]本發(fā)明提供一種二極管外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括如下順序的步驟:
[0007]I)向反應(yīng)室中的襯底層通入氫氣、氨氣和第一金屬源，在所述襯底層上生成厚度為10?50nm的緩沖生長(zhǎng)層；
[0008]2)向所述反應(yīng)室通入氫氣、氨氣和第二金屬源，所述緩沖生長(zhǎng)層生長(zhǎng)為厚度為50?3000nm的未摻雜層；
[0009]3)向所述反應(yīng)室通入氨氣、第三金屬源和硅原子，在所述未摻雜層上生成厚度為500?3500nm的N型重?fù)诫s層;所述硅原子濃度為I X 119?I X 12q個(gè)/cm3;
[0010]4)向所述反應(yīng)室中通入氮?dú)?、氨氣、第四金屬源、硅原子和三甲基銦，在所述N型重?fù)诫s層上生成厚度為10?6000nm的多量子阱層;其中，所述硅原子濃度為I X 118個(gè)/cm3;
[0011]5)向所述反應(yīng)室中通入氫氣、氮?dú)?、氨氣、第五金屬源和鎂原子，生成發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。
[0012]圖1為本發(fā)明提供的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)由下至上依次包括襯底層11、未摻雜層12、N型摻雜層13、V型缺陷14、多量子講層15和P型層16。
[0013]步驟I)中，首先是在襯底層上生成緩沖生長(zhǎng)層。由于二極管外延結(jié)構(gòu)多為金屬的氮化物，因此在通入反應(yīng)物之前，需要對(duì)反應(yīng)室中的溫度以及壓力進(jìn)行控制從而使氨氣和第一金屬源能夠分解成各自原子而發(fā)生化合反應(yīng)生成金屬的氮化物。具體實(shí)施過(guò)程中，將反應(yīng)室的溫度控制在500?550 °C，壓力為400?600托，在氫氣氣氛的保護(hù)下，將氨氣與第一金屬源通入反應(yīng)室中，在該反應(yīng)條件下，第一金屬源分解為相應(yīng)的金屬原子，氨氣分解為氮原子，從而生成金屬氮化物形成外延結(jié)構(gòu)的緩沖生長(zhǎng)層。為了能夠控制緩沖生長(zhǎng)層的厚度，一般的，氫氣的體積為(60?180)L，氨氣的體積為(25?75)L，第一金屬源的注入速度為(30?90 )mL/min，在通入上述反應(yīng)物后，控制反應(yīng)室的轉(zhuǎn)速為600r/min，3?5min后，即可在襯底層上成長(zhǎng)出厚度為10?50nm的緩沖生長(zhǎng)層。
[0014]步驟2)中，緩沖生成層生長(zhǎng)為非摻雜層。當(dāng)緩沖生長(zhǎng)層生長(zhǎng)結(jié)束后，可以將反應(yīng)室的溫度提高至800?1100°C，壓力維持在200?600托，依舊在氫氣氣氛的保護(hù)下，向反應(yīng)室中通入第二金屬源和氨氣。該步驟中的溫度壓力條件不僅能夠使緩沖生長(zhǎng)層發(fā)生分解聚合形成均勻分布的成核島，還能夠使新通入的反應(yīng)物分解為原子并化合為金屬氮化物，從而與晶核島合并并長(zhǎng)大，使緩沖生長(zhǎng)層生長(zhǎng)為未摻入任何雜質(zhì)的未摻雜層。為了能夠控制未摻雜層的厚度，一般的，氫氣的體積為(60?180)L，氨氣的體積為(25?75)L，第二金屬源的注入速度為(100?300)mL/min，在通入上述反應(yīng)物后，控制反應(yīng)室的轉(zhuǎn)速為600?1200r/111；[11，20?401]1；[11后，8卩可在襯底層上成長(zhǎng)出厚度為50?3000111]1的未摻雜層。為了控制晶核島的生長(zhǎng)速率，可以先將反應(yīng)室的溫度控制在1000°C，壓力控制為200托，轉(zhuǎn)速控制在600r/min，反應(yīng)30min。隨后再升高溫度至1050°C，減壓至200托，轉(zhuǎn)速提升至1200r/min，反應(yīng)30mino
[0015]步驟3)中，是在未摻雜層上生成N型重?fù)诫s層。本發(fā)明中引入的雜原子為硅原子，由于金屬源多為ΙΠΑ的金屬化合物，經(jīng)過(guò)發(fā)明人的大量研究，硅原子作為IVA的非金屬原子，與金屬源中的金屬原子半徑差較大，隨著氨氣與第三金屬源生成金屬氮化物時(shí)，碳原子的引入能夠使生成的金屬氮化物形成較大的晶格應(yīng)力，從而會(huì)在N型重?fù)诫s層上形成V型缺陷，而該V型缺陷能夠有效的阻止電子空穴進(jìn)入位錯(cuò)線非輻射復(fù)合區(qū)發(fā)生非輻射復(fù)合，極大地降低了非輻射復(fù)合幾率，從而提高二極管的內(nèi)量子效率，有助于發(fā)光二極管發(fā)光亮度的提升。因此，為了能夠通過(guò)硅原子的引入在金屬氮化物上形成V型缺陷，需要將硅原子的濃度控制在I X 119-1X 102()個(gè)/cm3，該高濃度能夠保證V型缺陷的有力生長(zhǎng)。
[0016]步驟4)中，是在N型重?fù)诫s層上生成多量子阱層。同樣的，在多量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程中，隨著碳原子的加入，繼續(xù)將V型缺陷引入多量子阱層中，促進(jìn)V型缺陷的生長(zhǎng)，生成勢(shì)皇較高的量子阱，進(jìn)一步阻止電子空穴的向位錯(cuò)線附近的躍迀，避免非輻射復(fù)合的發(fā)生，從而提升發(fā)光二極管的發(fā)光亮度。
[0017]步驟5)中，是在多量子阱層上生成P型層。當(dāng)多量子阱層生長(zhǎng)結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度控制為800?1000°C，壓力維持在100?300托，在氫氣及氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，生成金屬氮化物，由于反應(yīng)物中還包含鎂原子，因此該鎂原子能夠有效將生成的金屬氮化物，即P型層粗化，由于P型層為外延結(jié)構(gòu)的最表面，因而該粗化結(jié)構(gòu)能夠減少量子阱層的光在該發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的表面的全反射，提高該發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的出光率。為了能夠控制P型層的厚度，一般的，氫氣的體積為(60?180)L，氮?dú)獾捏w積為(30?90)L，氨氣的體積為(25?75)L，第五金屬源的注入速度為(180?550)mL/min，在通入上述反應(yīng)物后，控制反應(yīng)室的轉(zhuǎn)速為1200r/min，7?15min后，即可在上多量子阱層成長(zhǎng)出厚度為O?500nm的P型層。至此完成發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
[0018]本發(fā)明提供的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，通過(guò)在摻雜層和多量子阱層中引入硅原子，并且通過(guò)控制硅原子的濃度，使摻雜層和多量子阱層中都出現(xiàn)了 V型缺陷。該V型缺陷能夠形成高的電子空穴阻擋勢(shì)皇較，進(jìn)一步阻止電子空穴的向位錯(cuò)線附近的躍迀，避免非輻射復(fù)合的發(fā)生，從而提升發(fā)光二極管的發(fā)光亮度。
[0019]進(jìn)一步地，所述第一金屬源、第二金屬源、第三金屬源、第四金屬源和第五金屬源選自三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁、二乙基鎵、二乙基銦和二乙基鋁中的一個(gè)或多個(gè)。由于外延結(jié)構(gòu)多為ΙΠΑ的金屬，并且為了能夠使金屬源能夠在高溫下易分解為金屬原子，所以將第一?第五金屬源限定為上述幾種化合物。當(dāng)金屬源為幾種化合物的混合物時(shí)，本發(fā)明對(duì)化合物之間的比例不做限定。
[0020]進(jìn)一步地，步驟3)包括:控制所述反應(yīng)室的溫度為1060°C，壓力為400托，向所述反應(yīng)室通入氨氣、第三金屬源和娃原子，反應(yīng)(25?65 )min后，在所述未摻雜層上生成厚度為500?3500nm的N型摻雜層;其中，所述氨氣為(15?45)L，第三金屬源的流速為(150?450)mL/min，所述硅原子濃度為I X 119-1 X 102()個(gè)/cm3。在具有V型缺陷的N型重?fù)綄拥纳L(zhǎng)過(guò)程中，還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)物的比例控制V型缺陷的生長(zhǎng)速度，以提高V型缺陷的生長(zhǎng)率。具體地，可以通過(guò)控制氨氣與第三金屬源的比例，即降低v/m比，通過(guò)降低氨氣的使用量，增加第三金屬源的使用量，進(jìn)一步擴(kuò)大晶格應(yīng)力，提高V型缺陷的縱向生長(zhǎng)速度。
[0021 ] 進(jìn)一步地，步驟3)中，控制所述反應(yīng)室的轉(zhuǎn)速為400?800r/min。發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，在V型缺陷的生長(zhǎng)過(guò)程中，還可以通過(guò)控制反應(yīng)室轉(zhuǎn)速來(lái)控制V型缺陷的形成，較慢的轉(zhuǎn)速有助于V型缺陷的三維生長(zhǎng)，有利于V型的生成。
[0022]進(jìn)一步地，步驟4)包括:向所述反應(yīng)室中通入氮?dú)?、氨氣、第四金屬源和硅原子生成摻雜量子皇；隨后向所述反應(yīng)室中通入氮?dú)狻睔?、第四金屬源和三甲基銦，生成量子阱；依序循環(huán)所述2?20次后，在所述N型摻雜層上生成厚度為10?6000nm的多量子阱層;其中，所述硅原子濃度為I X 118個(gè)/cm3。
[0023]多量子講層的生成包括量子皇和量子講的疊加。首先，將反應(yīng)室的溫度控制在500?550°C，壓力為400?600托，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，通入氨氣、第四金屬源和娃原子，生成的金屬氮化物量子皇中會(huì)被摻入硅原子而繼續(xù)生成V型缺陷，具體地，在量子皇的生成過(guò)程中，可以控制氮?dú)獾捏w積為(35?100)L，氨氣的體積為(20?60)L，第四金屬源的注入速度為(180?550)mL/min，硅原子的濃度為I X 118個(gè)/cm3，在通入上述反應(yīng)物后，控制反應(yīng)室的轉(zhuǎn)速為600r/min，2?5min后，即可生長(zhǎng)出量子皇。當(dāng)量子皇生長(zhǎng)完畢后，可以控制氮?dú)獾捏w積為(35?100)L，氨氣的體積為(20?60)L，第四金屬源的注入速度為(60?180)mL/min，三甲基銦的注入速度為(200?600)mL/min，在通入上述反應(yīng)物后，控制反應(yīng)室的轉(zhuǎn)速為600r/min，I?5min后，即可生長(zhǎng)出量子肼，該量子講為包含金屬銦的金屬氮化物。如此的，可以按照量子皇、量子講的生長(zhǎng)順序循環(huán)反應(yīng)2?20次，生成多量子講層。為了保證量子皇和量子阱的生長(zhǎng)，在反應(yīng)過(guò)程中，可以使量子皇的生長(zhǎng)溫度低于量子阱的生長(zhǎng)溫度，優(yōu)選地，可以將量子皇的生長(zhǎng)溫度控制為840 °C，將量子阱的生長(zhǎng)溫度控制為760 °C。
[0024]進(jìn)一步地，所述摻雜量子皇的寬度為5?25nm，所述量子阱的寬度為2?5nm。
[0025]進(jìn)一步地，步驟5)中，所述鎂原子濃度為I X 117-1X 12q個(gè)/cm3。
[0026]進(jìn)一步地，所述襯底層選自藍(lán)寶石、圖形藍(lán)寶石、硅、碳化硅、玻璃、銅、鎳和鉻中的一種。
[0027]同時(shí)，本發(fā)明對(duì)發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)設(shè)備不做限制，可以是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備、分子束外延設(shè)備或者氫化物氣相外延設(shè)備中的一種。
[0028]本發(fā)明提供的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，將硅原子引入重?fù)綄雍投嗔孔于鍖?，并通過(guò)控制碳原子的濃度、反應(yīng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速以及反應(yīng)物之間的比例關(guān)系，在外延結(jié)構(gòu)中以三維生長(zhǎng)模式形成V型缺陷，該V型缺陷能夠阻止電子空穴進(jìn)入位錯(cuò)線非輻射復(fù)合區(qū)而發(fā)生非輻射復(fù)合，降低非輻射復(fù)合幾率，有效提高二極管外延結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率，從而提升二極管外延結(jié)構(gòu)的發(fā)光率。
[0029]本發(fā)明還提供一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，該發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)按照上述生