一种发光二极管制作方法发明专利

专利名称：一种发光二极管制作方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210566526.0

专利申请（专利权）人：湘能华磊光电股份有限公司
权利人地址：湖南省郴州市白露塘有色金属产业园

专利发明（设计）人：徐平,许亚兵,季辉

专利摘要：本申请公开了一种发光二极管制作方法，依次包括：处理衬底、生长低温GaN缓冲层、生长非掺杂GaN层、生长n型GaN层、生长Mg掺杂InAlGaN层、生长多量子阱层、生长Si掺杂InAlN层、生长AlGaN电子阻挡层、生长P型GaN层，降温冷却。本发明通过在量子阱层前后分别插入Mg掺杂InAlGaN层和Si掺杂InAlN层来减少波长蓝移，并提高LED的内量子效率和亮度，尤其适合于制作小间距显示屏。

主权利要求：
1.一种发光二极管制作方法，其特征在于，依次包括：处理衬底、生长低温GaN缓冲层、生长非掺杂GaN层、生长n型GaN层、生长Mg掺杂InAlGaN层、生长量子阱层、生长Si掺杂InAlN层、生长AlGaN电子阻挡层、生长P型GaN层和降温冷却，其中，所述生长Mg掺杂InAlGaN层，具体为：
将反应腔压力控制在100～300mbar，通入NH3、TMGa、Cp2Mg、TMAl以及TMIn，在所述n型GaN层上面生长厚度为20～70nm的Mg掺杂InAlGaN层，生长过程中控制反应腔温度从1200℃渐变减少至600℃；
所述生长Si掺杂InAlN层，具体为：
将反应腔压力控制在100～320mba，升高反应腔温度至900～950℃，通入NH3、SiH4、TMAl以及TMIn，在所述量子阱层上面生长厚度为10～50nm的Si掺杂InAlN层，生长过程中，周期性中断TMIn源使所述Si掺杂InAlN层的带隙能级大于所述量子阱层的带隙能级，且控制Al组分从35％渐变减少至8％，其中，TMIn中断和通入反应腔的时间分别是8s和4s。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，在1000～1100℃的温度下，通入H2，保持反应腔压力100～300mbar，处理蓝宝石衬底5～10min。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，所述生长低温GaN缓冲层的具体过程为：降温至500～600℃，保持反应腔压力300～600mbar，通入流量为NH3、TMGa及H2，在蓝宝石衬底上生长厚度为20～40nm的低温GaN缓冲层；
升高温度到1000～1100℃，保持反应腔压力300～600mbar，通入NH3和H2，保温300～
500s，将低温GaN缓冲层腐蚀成不规则岛形。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，所述生长非掺杂GaN层的具体过程为：升高温度到1000～1200℃，保持反应腔压力300～600mbar，通入NH3、TMGa及H2，持续生长2～4μm的非掺杂GaN层。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，所述生长n型GaN层的具体过程为：保持反应腔压力300～600mbar，保持温度1000～1200℃，通入NH3、TMGa、H2及SiH4，持续生长3～4μm掺杂Si的n型GaN层。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，所述生长量子阱层的具体过程为：将反应腔压力控制在300～320mbar，控制反应腔温度在620℃～640℃，通入N2、NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3～4nm的InxGa(1‑x)N阱层，其中，x＝0.15～0.25；
控制反应腔压力不变，升高反应腔温度至800℃～820℃，通入N2、NH3、TMGa，生长厚度为
8～10nm的GaN垒层；
周期性依次进行生长InxGa(1‑x)N阱层和GaN垒层的步骤，周期数为3‑13个。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，所述生长AlGaN电子阻挡层的具体过程为：在温度为900～950℃，反应腔压力为200～400mbar，通入NH3、TMGa、H2和TMAl的条件下，生长厚度为40～60nm的AlGaN电子阻挡层。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，所述生长P型GaN层的具体过程为：保持反应腔压力100～300mba、温度950～1000℃，通入流量为NH3、TMGa、H2及Cp2Mg，持续生长50～200nm的掺杂Mg的P型GaN层。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管制作方法，其特征在于，所述降温冷却的具体过程为：降温至650～680℃，保温20～30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。 说明书 : 一种发光二极管制作方法技术领域[0001] 本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种发光二极管制作方法。背景技术[0002] 发光二极管(Light‑EmittingDiode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当LED有电流流过时，LED中的电子与空穴在其多量子阱内复合而发出单色光。LED作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，除了目前已被广泛用作室内外照明，还被广泛应用于交通信号灯、汽车灯、室内外照明和显示屏。[0003] 当前的LED外延材料生长方法中，材料的禁带宽度受到限制，量子阱中基态升高，LED的发光波长容易向短波方向移动，即发生蓝移。当小间距显示屏中注入不同大小电流改变发光强度时，LED发光波长的蓝移量会出现较大差别，无法满足小间距显示屏的应用需要。[0004] 综上所述，急需研发新的LED芯片制作方法，减少波长蓝移，并提高LED的内量子效率和亮度，以满足小间距显示屏的应用需要。发明内容[0005] 本发明通过采用新的发光二极管制作方法来减少波长蓝移，并提高LED的内量子效率和亮度。[0006] 本发明的发光二极管制作方法，依次包括：处理衬底、生长低温GaN缓冲层、生长非掺杂GaN层、生长n型GaN层、生长Mg掺杂InAlGaN层、生长量子阱层、生长Si掺杂InAlN层、生长AlGaN电子阻挡层、生长P型GaN层和降温冷却，其中，[0007] 所述生长Mg掺杂InAlGaN层，具体为：[0008] 将反应腔压力控制在100～300mbar，通入NH3、TMGa、Cp2Mg、TMAl以及TMIn，在所述n型GaN层上面生长厚度为20～70nm的Mg掺杂InAlGaN层，生长过程中控制反应腔温度从1200℃渐变减少至600℃；[0009] 所述生长Si掺杂InAlN层，具体为：[0010] 将反应腔压力控制在100～320mba，升高反应腔温度至900～950℃，通入NH3、SiH4、TMAl以及TMIn，在所述量子阱层上面生长厚度为10～50nm的Si掺杂InAlN层，生长过程中，周期性中断TMIn源使所述Si掺杂InAlN层的带隙能级大于所述量子阱层的带隙能级，且控制Al组分从35％渐变减少至8％，其中，TMIn中断和通入反应腔的时间分别是8s和4s。[0011] 优选地，所述处理衬底的具体过程为：[0012] 在1000℃～1100℃的温度下，通入H2，保持反应腔压力100～300mbar，处理蓝宝石衬底5～10min。[0013] 优选地，所述生长低温GaN缓冲层的具体过程为：[0014] 降温至500～600℃，保持反应腔压力300～600mbar，通入NH3、TMGa及H2，在蓝宝石衬底上生长厚度为20～40nm的低温GaN缓冲层；[0015] 升高温度到1000～1100℃，保持反应腔压力300～600mbar，通入NH3和H2，保温300～500s，将低温GaN缓冲层腐蚀成不规则岛形。[0016] 优选地，所述生长非掺杂GaN层的具体过程为：[0017] 升高温度到1000～1200℃，保持反应腔压力300～600mbar，通入NH3、TMGa及H2，持续生长2～4μm的非掺杂GaN层。[0018] 优选地，所述生长n型的GaN层的具体过程为：[0019] 保持反应腔压力300～600mbar，保持温度1000～1200℃，通入NH3、TMGa、H2及SiH4，持续生长3～4μm掺杂Si的n型GaN层。[0020] 优选地，所述生长量子阱层的具体过程为：[0021] 将反应腔压力控制在300～320mbar，控制反应腔温度在620～640℃，通入N2、NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3～4nm的InxGa(1‑x)N阱层，其中，x＝0.15～0.25；[0022] 控制反应腔压力不变，升高反应腔温度至800～820℃，通入N2、NH3、TMGa，生长厚度为8～10nm的GaN垒层；[0023] 周期性依次进行生长InxGa(1‑x)N阱层和GaN垒层的步骤，周期数为3～13个。[0024] 优选地，所述生长AlGaN电子阻挡层的具体过程为：[0025] 在温度为900～950℃，反应腔压力为200～400mbar，通入NH3、TMGa、H2、TMAl和Cp2Mg的条件下，生长厚度为40～60nm的AlGaN电子阻挡层。[0026] 优选地，所述生长P型GaN层的具体过程为：[0027] 保持反应腔压力100～300mba、温度950～1000℃，通入NH3、TMGa、H2及Cp2Mg，持续生长50～200nm的掺杂Mg的P型GaN层。[0028] 优选地，所述降温冷却的具体过程为：[0029] 降温至650～680℃，保温20～30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。[0030] 相比于传统的生长方法，本发明中的制作方法达到了如下效果：[0031] 1、本发明在生长量子阱前插入Mg掺杂InAlGaN层，一方面由于Al原子比In原子有更低的主量子数和更宽的轨道能隙，由原子轨道的线性合并效应，Al原子在InAlGaN层中形成“Al‑In”键(或“In‑Mg‑Al”键)会增加InxGa(1‑x)N阱层的禁带宽度，促使量子阱中基态降低，减少LED的发光波长向短波方向移动，从而减少波长蓝移；另一方面由于生长温度从1200℃高温渐变减少至600℃低温，使得N空隙较难形成，能够减少InAlGaN层内部N空隙，并且InAlGaN层中所携带的In原子与延伸至InAlGaN层中N空隙提前反应，减少N空隙延伸至量子阱层形成光子湮灭点的概率，能提高量子阱层载流子的复合发光效率，进而提高LED的亮度。InAlGaN层中掺杂有Mg，可以促进空穴的增加与迁移，配合InAlGaN层的势垒，可以使得空穴更加均匀进入InxGa(1‑x)N/GaN量子阱层，提高内量子效率的同时还能提高出光均匀度。[0032] 2、本发明通过在量子阱后插入Si掺杂InAlN层，周期性中断TMIn源使所述Si掺杂InAlN层的带隙能级大于所述量子阱层的带隙能级，此时InAlN层与AlGaN电子阻挡层形成双阻挡层结构，能够有效防止电子溢流现象，提高内量子效率。生长InAlN层过程中通过调节Al组分从35％渐变减少至8％，能够促进InAlN层与量子阱的晶格常数相匹配，从而可以释放应力，使Si掺杂InAlN层内无极化效应，增大量子阱的等效带隙能级，减少波长蓝移。此外，InAlN层掺杂有Si，可以促进电子的增加和迁移，使得更多电子进入量子阱中，从而提高内量子效率。附图说明[0033] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：[0034] 图1为本发明方法制备的LED外延结构示意图；[0035] 图2为现有传统方法制备的LED外延结构示意图；[0036] 其中，1、蓝宝石衬底，2、低温GaN缓冲层，3、非掺杂GaN层，4、n型GaN层，5、Mg掺杂InAlGaN层，6、多量子阱层，7、Si掺杂InAlN层，8、AlGaN电子阻挡层，9、P型GaN层，61、InxGa(1‑x)N阱层，62、GaN垒层。具体实施方式[0037] 以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。[0038] 实施例1[0039] 本实施例采用本发明提供的发光二极管制作方法，采用MOCVD来生长GaN基LED外延片。具体生长方式如下(外延结构请参考图1)：[0040] 一种发光二极管制作方法，依次包括：处理蓝宝石衬底1、生长低温GaN缓冲层2、生长非掺杂GaN层3、生长n型GaN层4、生长Mg掺杂InAlGaN层5、生长量子阱层6、生长Si掺杂InAlN层7、生长AlGaN电子阻挡层8、生长P型GaN层9，降温冷却；其中，[0041] 步骤1：处理蓝宝石衬底1。[0042] 具体地，所述步骤1，进一步为：[0043] 在温度为1000～1100℃，反应腔压力为100～300mbar，通入H2，处理蓝宝石衬底5～10分钟。[0044] 步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。[0045] 具体地，所述步骤2，进一步为：[0046] 在温度为500～600℃，反应腔压力为300～600mbar，通入NH3、TMGa以及H2的条件下，在所述蓝宝石衬底1上生长所述低温GaN缓冲层2，所述低温GaN缓冲层2的厚度为20～40nm；[0047] 在温度为1000～1100℃、反应腔压力为300～600mbar，通入NH3和H2的条件下，保温300～500s，在所述低温GaN缓冲层2上形成所述不规则小岛。[0048] 步骤3：生长非掺杂GaN层3。[0049] 具体地，所述步骤3，进一步为：[0050] 在温度为1000～1200℃，反应腔压力为300～600mbar，通入NH3、TMGa及H2的条件下，生长的所述非掺杂GaN层3，所述非掺杂GaN层3的厚度为2～4μm。[0051] 步骤4：生长n型GaN层4。[0052] 具体地，所述步骤4，进一步为：[0053] 保持反应腔压力300～600mbar，保持温度1000～1200℃，通入NH3、TMGa、H2及SiH4，持续生长3～4μm掺杂Si的n型GaN层4。[0054] 步骤5：生长Mg掺杂InAlGaN层。[0055] 具体地，所述步骤5，进一步为：[0056] 将反应腔压力控制在100～300mbar，通入NH3、TMGa、Cp2Mg、TMAl以及TMIn，在所述n型GaN层上面生长厚度为20～70nm的Mg掺杂InAlGaN层，生长过程中控制反应腔温度从1200℃渐变减少至600℃。[0057] 步骤6：生长量子阱层。[0058] 具体地，所述步骤6，进一步为：[0059] 控制反应腔压力在300～320mbar，控制反应腔温度在620～640℃，通入N2、NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3～4nm的InxGa(1‑x)N阱层61，其中，x＝0.15～0.25；[0060] 控制反应腔压力不变，升高反应腔温度至800～820℃，通入N2、NH3、TMGa，生长厚度为8～10nm的GaN垒层62；[0061] 周期性依次进行生长InxGa(1‑x)N阱层61和GaN垒层62的步骤，周期数为3～13个。[0062] 步骤7：生长Si掺杂InAlN层7。[0063] 具体地，所述步骤7，进一步为：[0064] 将反应腔压力控制在100～320mba，升高反应腔温度至900～950℃，通入NH3、SiH4、TMAl以及TMIn，在所述量子阱层上面生长厚度为10～50nm的Si掺杂InAlN层7，生长过程中，周期性中断TMIn源使所述Si掺杂InAlN层7的带隙能级大于所述量子阱层6的带隙能级，且控制Al组分从35％渐变减少至8％，其中，TMIn中断和通入反应腔的时间分别是8s和4s。[0065] 步骤8：生长AlGaN电子阻挡层8。[0066] 具体地，所述步骤8，进一步为：[0067] 在温度为900～950℃，反应腔压力为200～400mbar，通入NH3、TMGa、H2和TMAl的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层8，所述AlGaN层8的厚度为40～60nm。[0068] 步骤9：生长P型GaN层9。[0069] 具体地，所述步骤9，进一步为：[0070] 在温度为950～1000℃，反应腔压力为100～300mbar，通入NH3、20‑100sccm的TMGa、H2以及Cp2Mg的条件下，生长厚度为50～200nm的掺杂Mg的P型GaN层9。[0071] 步骤8：在温度为650～680℃的条件下保温20～30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。[0072] 实施例2[0073] 以下提供对比实施例，即传统的发光二极管制作方法(外延结构请参考图2)。[0074] 步骤1：在温度为1000～1100℃，反应腔压力为100～300mbar，通入H2，处理蓝宝石衬底5～10分钟。[0075] 步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。[0076] 具体地，所述步骤2，进一步为：[0077] 在温度为500～600℃，反应腔压力为300～600mbar，通入NH3、TMGa以及H2的条件下，在所述蓝宝石衬底1上生长所述低温GaN缓冲层2，所述低温GaN缓冲层2的厚度为20～40nm；[0078] 在温度为1000～1100℃、反应腔压力为300～600mbar，通入NH3、H2的条件下，保温300～500s，在所述低温GaN缓冲层2上形成所述不规则小岛。[0079] 步骤3：生长非掺杂GaN层3。[0080] 具体地，所述步骤3，进一步为：[0081] 在温度为1000～1200℃，反应腔压力为300～600mbar，通入NH3、TMGa及H2的条件下，生长的所述非掺杂GaN层，所述非掺杂GaN层3的厚度为2～4μm。[0082] 步骤4：生长n型GaN层4。[0083] 具体地，所述步骤4，进一步为：[0084] 在温度为1000～1200℃，反应腔压力为300～600mbar，通入NH3、TMGa、H2以及SiH4的条件下，生长Si掺杂的n型GaN层4，所述n型GaN层4的厚度为3～4μm。[0085] 步骤5：生长InGaN/GaN多量子阱层6。[0086] 具体地，所述生长多量子阱层6，进一步为：[0087] 将反应腔压力控制在300～320mbar，降低反应腔温度至620～640℃，通入N2、NH3、TMGa以及TMIn，生长厚度为3～4nm的InxGa(1‑x)N阱层61，其中，x＝0.15～0.25；[0088] 控制反应腔压力不变，升高反应腔温度至800～820℃，通入N2、NH3、TMGa，生长厚度为8～10nm的GaN垒层62；[0089] 周期性依次进行生长InxGa(1‑x)N阱层61和GaN垒层62的步骤，周期数为3～13个。[0090] 步骤6：生长AlGaN电子阻挡层8。[0091] 具体地，所述步骤8，进一步为：[0092] 在温度为900～950℃，反应腔压力为200～400mbar，通入NH3、TMGa、H2以及TMAl的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层8，所述AlGaN层8的厚度为40～60nm。[0093] 步骤7：生长P型GaN层9。[0094] 具体地，所述步骤9，进一步为：[0095] 在温度为950～1000℃，反应腔压力为100～300mbar，通入NH3、TMGa、H2以及Cp2Mg的条件下，生长厚度为50～200nm的掺杂Mg的P型GaN层9。[0096] 步骤8：在温度为650～680℃的条件下保温20～30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。[0097] 根据上述实施例1和实施例2分别制得样品1和样品2，样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500nm，相同的条件下镀保护层SiO2约100nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片颗粒，之后将样品1和样品2在相同位置各自挑选1000颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。采用积分球在驱动电流150mA条件下测试样品1和样品2的光电性能。[0098] 表1样品1和样品2的电性参数比较结果[0099][0100] 将积分球获得的数据进行分析对比，从表1中可以看出，采用本发明提供的制作方法制备的LED(样品1)发光效率得到明显提升，并且波长蓝移量更小，工作电压也得到降低，这是因为本专利采用了新的技术方案，提高了LED的发光效率，减少了波长蓝移量。[0101] 本发明的发光二极管制作方法达到了如下效果：[0102] 1、本发明在生长量子阱前插入Mg掺杂InAlGaN层，一方面由于Al原子比In原子有更低的主量子数和更宽的轨道能隙，由原子轨道的线性合并效应，Al原子在InAlGaN层中形成“Al‑In”键(或“In‑Mg‑Al”键)会增加InxGa(1‑x)N阱层的禁带宽度，促使量子阱中基态降低，减少LED的发光波长向短波方向移动，从而减少波长蓝移；另一方面由于生长温度从1200℃高温渐变减少至600℃低温，使得N空隙较难形成，能够减少InAlGaN层内部N空隙，并且InAlGaN层中所携带的In原子与延伸至InAlGaN层中N空隙提前反应，减少N空隙延伸至量子阱层形成光子湮灭点的概率，能提高量子阱层载流子的复合发光效率，进而提高LED的亮度。InAlGaN层中掺杂有Mg，可以促进空穴的增加与迁移，配合InAlGaN层的势垒，可以使得空穴更加均匀进入InxGa(1‑x)N/GaN量子阱层，提高内量子效率的同时还能提高出光均匀度。[0103] 2、本发明通过在量子阱后插入Si掺杂InAlN层，周期性中断TMIn源使所述Si掺杂InAlN层的带隙能级大于所述量子阱层的带隙能级，此时InAlN层与AlGaN电子阻挡层形成双阻挡层结构，能够有效防止电子溢流现象，提高内量子效率。生长InAlN层过程中通过调节Al组分从35％渐变减少至8％，能够促进InAlN层与量子阱的晶格常数相匹配，从而可以释放应力，使Si掺杂InAlN层内无极化效应，增大量子阱的等效带隙能级，减少波长蓝移。此外，InAlN层掺杂有Si，可以促进电子的增加和迁移，使得更多电子进入量子阱中，从而提高内量子效率。[0104] 由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。[0105] 上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

专利地区：湖南

专利申请日期：2022-05-23

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN114937723B