改善翘曲的发光二极管及其制备方法与流程

1.本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种改善翘曲的发光二极管及其制备方法。


背景技术：

2.发光二极管(light emitting diode，简称：led)作为光电子产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。
3.相关技术中，发光二极管通常包括依次层叠的蓝宝石衬底、缓冲层和外延层。缓冲层通常为gan层。
4.然而，蓝宝石衬底和gan材料之间的晶格失配较大，使得形成的gan层内会产生较大的应力。由于在生长缓冲层时衬底会随载具在反应腔内高速旋转，若应力不能释放，生长的外延片容易出现翘曲的问题。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了一种改善翘曲的发光二极管及其制备方法，能释放缓冲层内的应力，改善缓冲层容易出现翘曲的问题。所述技术方案如下：
6.一方面，本公开实施例提供了一种发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：向反应腔内通入ga源，以在衬底的表面生长gan层；停止通入所述ga源持续第一时长；通入al源持续第二时长，使al源与所述gan层反应形成第一algan层；通入所述ga源和所述al源，在所述第一algan层的基础上继续生长第二algan层，得到缓冲层。
7.可选地，所述向反应腔内通入ga源，以在衬底的表面生长gan层包括：控制生长温度为300℃至500℃，生长压力为600torr至800torr，向反应腔内通入所述ga源生长所述gan层。
8.可选地，所述gan层的厚度为2nm至8nm。
9.可选地，所述第一时长为5s至20s。
10.可选地，所述通入al源持续第二时长，使al源与所述gan层反应形成第一algan层包括：控制通入所述al源的浓度为1
×
105cm-3
至5
×
105cm-3
持续所述第二时长后，使al源与所述gan层反应形成第一algan层。
11.可选地，所述第二时长为10s至60s。
12.可选地，所述缓冲层的厚度为10nm至20nm。
13.另一方面，本公开实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管采用如前文所述的制备方法制备，所述发光二极管包括层叠的衬底、缓冲层和外延层，所述缓冲层包括依次层叠在所述衬底上的第一algan层和第二algan层。
14.可选地，所述缓冲层中al组分含量和ga组分含量的比值为1至2.5。
15.可选地，所述缓冲层的厚度为10nm至20nm。
16.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
17.本公开实施例提供的发光二极管的制备方法，首先，先在反应腔内通入ga源以在衬底上形成gan层，然后，停止通入ga源持续第一时长，以中断gan的生长，中断生长的时间内能让gan层自然冷却，起到让gan层内的应力释放的作用；接着，通入al源持续第二时长，使al源与gan层反应形成第一algan层。由于在通入al源前，反应腔内已经存在ga源，这样通入al源的过程中不再通入ga源，使得al源能在反应腔内自由反应，让al更容易进入ga源的晶格位点，有利于提升生长的第一algan层的晶格质量，能减少形成的第一algan层的应力；最后，再次通入ga源和al源，在第一algan层的基础上继续生长第二algan层，得到缓冲层。由于先生长得到了晶体质量较好的第一algan层，这样后续在第一algan层的基础上生长的第二algan层也会保持较好的质量，因此，能有效减少缓冲层内的应力。
18.并且，gan材料内的应力属于压应力，让al进入gan材料中反应，得到内部应力属于张应力的algan材料，能在一定程度上削弱gan层内的应力，实现释放缓冲层内应力的目的，改善缓冲层容易出现翘曲的问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本公开实施例提供的一种发光二极管的制备方法的流程图；
21.图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管的制备方法的流程图；
22.图3是本公开实施例提供的一种发光二极管的结构示意图。
23.图中各标记说明如下：
24.10、衬底；
25.20、缓冲层；
26.30、非掺杂gan层；
27.40、n型层；
28.50、发光层；51、量子阱层；52、量子垒层；
29.60、p型层。
具体实施方式
30.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
31.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者
物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
32.相关技术中，采用algan作为缓冲层时，制备在制备algan层时，直接向反应腔内通入al源、ga源和氨气。生长过程中，al不能与gan良好地反应，形成晶格质量较好的algan层。这样会导致algan层中存在较大的应力，如果不释放algan层内的应力，容易生长得到翘曲的外延片。
33.相关技术中，采用gan作为缓冲层时，蓝宝石衬底和gan材料之间的晶格失配较大，使得形成的gan层内会产生较大的应力。且在生长缓冲层时衬底会随载具在反应腔内高速旋转，若应力不能释放，生长的外延片容易出现翘曲的问题。
34.为此，本公开实施例提供了一种发光二极管的制备方法。图1是本公开实施例提供的一种发光二极管的制备方法的流程图。如图1所示，该制备方法包括：
35.步骤101：向反应腔内通入ga源，以在衬底的表面生长gan层。
36.其中，衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。衬底可以为平片衬底，也可以为图形化衬底。
37.作为示例，本公开实施例中，衬底为蓝宝石衬底。蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底或蓝宝石平片衬底。
38.步骤102：停止通入ga源持续第一时长。
39.步骤103：通入al源持续第二时长，使al源与gan层反应形成第一algan层。
40.步骤104：通入ga源和al源，在第一algan层的基础上继续生长第二algan层，得到缓冲层。
41.本公开实施例提供的发光二极管的制备方法，首先，先在反应腔内通入ga源以在衬底上形成gan层，然后，停止通入ga源持续第一时长，以中断gan的生长，中断生长的时间内能让gan层自然冷却，起到让gan层内的应力释放的作用；接着，通入al源持续第二时长，使al源与gan层反应形成第一algan层。由于在通入al源前，反应腔内已经存在ga源，这样通入al源的过程中不再通入ga源，使得al源能在反应腔内自由反应，让al更容易进入ga源的晶格位点，有利于提升生长的第一algan层的晶格质量，能减少形成的第一algan层的应力；最后，再次通入ga源和al源，在第一algan层的基础上继续生长第二algan层，得到缓冲层。由于先生长得到了晶体质量较好的第一algan层，这样后续在第一algan层的基础上生长的第二algan层也会保持较好的质量，因此，能有效减少缓冲层内的应力。
42.并且，gan材料内的应力属于压应力，让al进入gan材料中反应，得到内部应力属于张应力的algan材料，能在一定程度上削弱gan层内的应力，实现释放缓冲层内应力的目的，改善缓冲层容易出现翘曲的问题。
43.本公开实施例中，反应腔为mocvd(metal organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉积)设备的反应腔，mocvd反应腔用于外延生长gan材料。
44.图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管的制备方法的流程图。如图2所示，该镀膜方法包括：
45.步骤201：控制生长温度为300℃至500℃，生长压力为600torr至800torr，向反应腔内通入ga源生长gan层。
46.由于刚生长晶种阶段，温度过高容易降晶种拷掉，因此，通过将反应腔的生长温度调整至300℃至500℃，将生长温度控制较低的温度下，避免影响晶种的生长质量。
47.同时，高压有利于三维模式生长，而在初始生长阶段，需要得到三维的晶种附着。因此，将反应腔内的生长压力调整至600torr至800torr，将生长压力控制在较高的压力下，以在生长的初始阶段得到三维的晶种。
48.示例性地，控制生长温度为350℃，生长压力为700torr，向反应腔内通入ga源生长gan层。
49.可选地，步骤201还包括：向反应腔内通入ga源生长2nm至8nm的gan层。
50.通过先在反应腔内生长一层厚度较薄的gan层，以作为后续生长第一algan的基础层，使得后续通入al源后，能以gan层为基础让al与gan反应形成第一algan层。
51.示例性地，向反应腔内通入ga源生长5nm的gan层。
52.在步骤201之前制备方法可以包括：对蓝宝石衬底进行预处理，将蓝宝石衬底置于mocvd反应腔中，对蓝宝石衬底进行烘烤处理12分钟至18分钟。作为示例，本公开实施例中，对蓝宝石衬底进行烘烤处理15分钟。
53.具体地，烘烤温度可以为1000℃至1200℃，烘烤时mocvd反应腔内的压力可以为100mbar至200mbar。
54.通过对反应腔进行烘烤，去除反应腔内的水汽，避免水汽影响外延材料的生长质量。
55.示例性地，将反应腔的温度升至800℃，并烘烤15min。
56.步骤202：停止通入ga源持续第一时长。
57.其中，第一时长为5s至20s。
58.通过在反应腔内通入ga源以在衬底上形成gan层后，停止通入ga源持续5s至20s，以中断gan的生长，中断生长的时间内能让gan层自然冷却，起到让gan层内的应力释放的作用。
59.示例性地，第一时长可以是10s。
60.步骤203：通入al源持续第二时长，使al源与gan层反应形成第一algan层。
61.可选地，通入al源的al的浓度为1
×
105cm-3
至5
×
105cm-3
。示例性地，通入al源的al的浓度为3
×
105cm-3
。
62.由于gan材料内的应力属于压应力，让al进入gan材料中反应，得到内部应力属于张应力的algan材料，能在一定程度上削弱gan层内的应力，实现释放缓冲层内应力的目的。
63.可选地，第二时长为10s至60s。
64.示例性地，步骤203可以包括：通入al源持续30s，使al源与gan层反应形成第一algan层。
65.在第二时长内，反应腔内只通入al源，这样使得al源能在反应腔内与已经存在的ga源自由反应，让al更容易进入ga源的晶格位点，有利于提升后续生长的第一algan层的晶格质量，从而减少形成的缓冲层的应力。
66.步骤204：通入ga源和al源，在第一algan层的基础上继续生长第二algan层，得到缓冲层。
67.本公开实施例中，第二algan层的厚度厚于第一algan层的厚度，由于第一algan层
时，需要向后通入ga源和al源并中断生长，而制备第二algan层时，是向反应腔内同时通入al源、ga源和氨气，即制备第二algan层的过程更为简单，因此，第二algan层的厚度可以厚于第一algan层的厚度，以提升缓冲层的制备效率。
68.可选地，缓冲层的厚度为10nm至20nm。示例性地，生长得到的缓冲层的厚度为15nm。
69.通过将生长的缓冲层的厚度控制在上述范围内，能避免厚度设置过大而增大了光的吸收，影响出光效果；还能避免厚度设置过小而起不到缓冲的作用。
70.步骤205：在缓冲层上生长外延层。
71.具体可以包括以下几步：
72.第一步，在缓冲层上生长非掺杂gan层。
73.相较于衬底，由于非掺杂gan层的晶体结构与n型层相似，通过设置非掺杂gan层作为过渡层，能提升后续外延层的晶体质量。
74.其中，非掺杂gan层的厚度为1μm至2μm。示例性地，非掺杂gan层的厚度为1.5μm。
75.具体地，低温gan缓冲层生长结束后，将温度调节至1000℃至1200℃，生长一层外延生长厚度为1μm至2μm的非掺杂gan层，生长压力为100torr至500torr，
ⅴ
/ⅲ比为200至3000。
76.第二步，在非掺杂gan层上生长n型层。
77.可选地，n型层可以是n型gan层。n型层的厚度为1.5μm至3.5μm。其中，n型层的掺杂剂为硅烷。
78.具体地，非掺杂gan层生长结束后，生长一层si掺杂浓度稳定的n型gan层，厚度为1.5μm至3.5μm，生长温度为950℃至1150℃，生长压力为300torr至500torr，
ⅴ
/ⅲ比为400至3000。
79.第三步，在n型层上生长发光层。
80.具体地，n型层生长结束后，生长交替层叠的量子阱层和量子垒层。
81.其中，量子阱层为ingan层。
82.在生长量子阱层时，向反应腔内通入氨气、乙基镓和三甲基铟，通入时长为30s至60s，并控制反应腔内的生长温度为700℃至850℃，生长压力为100torr至500torr，
ⅴ
/ⅲ比为2000至20000，厚度为2nm至5nm。
83.示例性地，量子阱层的厚度可以是3nm。
84.本公开实施例中，量子垒层可以是n型gan量子垒层。
85.在生长量子垒层时，控制反应腔内的生长温度为850℃至950℃，生长压力为100torr至500torr，
ⅴ
/ⅲ比为2000至20000，厚度为5nm至15nm。
86.示例性地，n型gan量子垒层的厚度为10nm。
87.可选地，量子阱层的层数和量子垒层的层数均为8至12层。示例性地，量子阱层的层数和量子垒层的层数均为10。
88.第四步，在发光层上生长p型层。
89.可选地，p型层的厚度为30nm至120nm。其中，p型层的掺杂剂为二茂镁。
90.其中，p型层可以包括依次层叠在发光层上的低温p型gan层、p型algan层、高温p型gan层和p型欧姆接触层。低温p型gan层和高温p型gan层均为mg掺杂。
91.其中，低温p型gan层的厚度可以是30nm至120nm，例如，低温p型gan层的厚度可以是100nm。
92.其中，高温p型gan层的厚度可以是50nm至150nm，例如，低高温p型gan层的厚度可以是100nm。
93.在本公开实施例中，p型algan层作为电子阻挡层，用于阻挡电子进入p型层。p型algan层和p型欧姆接触层均为mg掺杂。
94.可选地，p型algan层的厚度可以为50nm至150nm。作为示例，本公开实施例中，p型algan层的厚度为80nm。
95.可选地，p型欧姆接触层的厚度可以为3nm至10nm。作为示例，本公开实施例中，p型欧姆接触层的厚度为8nm。
96.具体地，发光层生长结束后，生长厚度为30nm至120nm的低温p型gan层，生长温度为700℃至800℃，生长时间为3min至15min，压力为100torr至600torr，
ⅴ
/ⅲ比为1000至4000。
97.低温p型gan层生长结束后，生长厚度为50nm至150nm的p型algan层，生长温度为900℃至1000℃，生长时间为4min至15min，生长压力为50torr至300torr，
ⅴ
/ⅲ比为1000至10000。
98.p型algan层生长结束后，生长厚度为50nm至150nm的高温p型gan层，生长温度为900℃至1050℃之间，生长时间为10min至20min，生长压力为100torr至500torr，
ⅴ
/ⅲ比为500至4000。
99.高温p型gan层生长结束后，生长厚度为3nm至10nm的p型欧姆接触层，生长温度为700℃至850℃，生长时间为0.5min至5min，生长压力为100torr至500torr，
ⅴ
/ⅲ比为10000至20000。
100.第五步，对外延片进行退火。
101.外延生长结束后，将反应室的温度降至600℃至900℃，在pn2气氛进行退火处理10min至30min，而后逐渐降至室温，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗22
×
35mil芯片。
102.在具体实现时，本公开实施例可以采用高纯h2或/和n2作为载气，采用tega或tmga作为ga源，tmin作为in源，sih4作为n型掺杂剂，tmal作为铝源，氨气作为n源，cp2mg作为p型掺杂剂。
103.本公开实施例提供的发光二极管的制备方法，首先，先在反应腔内通入ga源以在衬底上形成gan层，然后，停止通入ga源持续第一时长，以中断gan的生长，中断生长的时间内能让gan层自然冷却，起到让gan层内的应力释放的作用；接着，通入al源持续第二时长，使al源与gan层反应形成第一algan层。由于在通入al源前，反应腔内已经存在ga源，这样通入al源的过程中不再通入ga源，使得al源能在反应腔内自由反应，让al更容易进入ga源的晶格位点，有利于提升生长的第一algan层的晶格质量，能减少形成的第一algan层的应力；最后，再次通入ga源和al源，在第一algan层的基础上继续生长第二algan层，得到缓冲层。由于先生长得到了晶体质量较好的第一algan层，这样后续在第一algan层的基础上生长的第二algan层也会保持较好的质量，因此，能有效减少缓冲层内的应力。
104.并且，gan材料内的应力属于压应力，让al进入gan材料中反应，得到内部应力属于
张应力的algan材料，能在一定程度上削弱gan层内的应力，实现释放缓冲层内应力的目的，改善缓冲层容易出现翘曲的问题
105.图3是本公开实施例提供的一种发光二极管的结构示意图。如图3所示，该发光二极管采用前文所述的发光二极管的制备方法制备，该发光二极管包括依次层叠的衬底10、缓冲层20、非掺杂gan层30和外延层。
106.可选地，缓冲层20包括依次层叠在衬底10上的第一algan层和第二algan层。缓冲层中al组分含量和ga组分含量的比值为1至2.5。
107.由于gan材料内的应力属于压应力，让al进入gan材料中反应，得到内部应力属于张应力的algan材料，能在一定程度上削弱gan层内的应力。因此在生长的gan层中掺入al源，控制生长得到的algan层中al组分含量和ga组分含量的比值为1至2.5，让al和ga的组分含量比值在该范围内，能起到释放gan层内的应力的作用，让al与gan反应后得到应力较小的algan层。
108.示例性地，缓冲层的厚度为10nm至20nm。例如，缓冲层的厚度为15nm。
109.如图3所示，在缓冲层20和外延层之间生长有一层非掺杂gan层30，相较于衬底10，由于非掺杂gan层30的晶体结构与n型层40相似，通过设置非掺杂gan层30作为过渡层，能提升后续外延层的晶体质量。
110.其中，非掺杂gan层30的厚度为1μm至2μm。示例性地，非掺杂gan层30的厚度为1.5μm。
111.可选地，外延层包括依次层叠的n型层40、发光层50和p型层60。
112.其中，发光层50包括多个量子阱层51和多个量子垒层52，多个量子阱层51和多个量子垒层52交替层叠。
113.可选地，n型层40可以是n型gan层。n型层40的厚度为1.5μm至3.5μm。
114.其中，n型层40的掺杂剂为硅烷。
115.可选地，p型层60可以包括依次层叠在发光层50上的低温p型gan层、p型algan层、高温p型gan层和p型欧姆接触层。低温p型gan层和高温p型gan层均为mg掺杂。
116.本公开实施例中，发光层50中的量子阱层的厚度为2nm至5nm。
117.通过控制量子阱层的厚度在上述范围内，可以避免量子阱层的厚度设置过薄而起不到满足电子空穴复合的目的；还可以避免量子阱层的厚度设置过厚而增加了制作成本。
118.示例性地，量子阱层的厚度可以是3nm。
119.可选地，量子垒层可以是n型gan量子垒层的厚度为5nm至15nm。
120.通过控制n型gan量子垒层的厚度在上述范围内，可以避免n型gan量子垒层的厚度设置过薄而起不到满足电子空穴复合的目的；还可以避免n型gan量子垒层的厚度设置过厚而增加了制作成本。
121.示例性地，n型gan量子垒层的厚度为10nm。
122.可选地，发光层50包括8至12个量子阱层和8至12个量子垒层。
123.通过控制量子阱层和量子垒层的层数在上述范围内，可以避免量子阱层和量子垒层的层数设置过少，而导致发光层50的厚度过小，起不到满足电子空穴复合的目的；还可以避免发光层50的厚度设置过厚而增加了制作成本。
124.示例性地，量子阱层的层数可以是10层，量子垒层的层数可以是10层。
125.需要说明的是，图3中仅示出了发光层50中的部分结构，并不用于限制量子阱层和量子垒层交替层叠的周期数。
126.本公开实施例提供的发光二极管的制备方法和发光二极管的常规制备方法生长的外延片的亮度的标准偏差的对比数据如下表1：
127.表1
[0128][0129]
表1中，每种外延片均测试10组，每组包括10w个外延片。第一种外延片在0.5ma的外加电流下测试，第二中外延片在20μa的外加电流下测试。
[0130]
根据测试结果可知，本公开实施例提供的发光二极管的制备方法制备的外延片的亮度的标准偏差，比常规的发光二极管的制备方法制备的外延片的亮度的标准偏差更小。表明采用本公开提供的发光二极管的制备方法制备的外延片的发光强度的均匀性更好，改善了外延片的发光一致性。
[0131]
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：向反应腔内通入ga源，以在衬底的表面生长gan层；停止通入所述ga源持续第一时长；通入al源持续第二时长，使al源与所述gan层反应形成第一algan层；通入所述ga源和所述al源，在所述第一algan层的基础上继续生长第二algan层，得到缓冲层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述向反应腔内通入ga源，以在衬底的表面生长gan层包括：控制生长温度为300℃至500℃，生长压力为600torr至800torr，向反应腔内通入所述ga源生长所述gan层。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述gan层的厚度为2nm至8nm。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第一时长为5s至20s。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述通入al源持续第二时长，使al源与所述gan层反应形成第一algan层包括：控制通入所述al源的浓度为1
×
105cm-3
至5
×
105cm-3
持续所述第二时长后，使al源与所述gan层反应形成第一algan层。6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第二时长为10s至60s。7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为10nm至20nm。8.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管采用如权利要求1至7任一项所述的制备方法制备，所述发光二极管包括层叠的衬底(10)、缓冲层(20)和外延层，所述缓冲层(20)包括依次层叠在所述衬底(10)上的第一algan层和第二algan层。9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述缓冲层中al组分含量和ga组分含量的比值为1至2.5。10.根据权利要求8或9所述的发光二极管，其特征在于，所述缓冲层的厚度为10nm至20nm。

技术总结
本公开提供了一种改善翘曲的发光二极管及其制备方法，属于光电子制造技术领域。该制备方法包括：向反应腔内通入Ga源，以在衬底的表面生长GaN层；停止通入所述Ga源持续第一时长；通入Al源持续第二时长，使Al源与所述GaN层反应形成第一AlGaN层；通入所述Ga源和所述Al源，在所述第一AlGaN层的基础上继续生长第二AlGaN层，得到缓冲层。本公开实施例能释放缓冲层内的应力，改善缓冲层容易出现翘曲的问题。改善缓冲层容易出现翘曲的问题。改善缓冲层容易出现翘曲的问题。


技术研发人员：姚振 从颖 龚逸品 梅劲
受保护的技术使用者：华灿光电（苏州）有限公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/15