本發(fā)明涉及LED的制備方法，具體涉及一種LED外延片的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，被譽(yù)為“綠色照明”的發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)照明技術(shù)發(fā)展迅猛。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光發(fā)光二極管不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環(huán)保，更具有調(diào)制性能好，響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。白光發(fā)光二極管一方面具有發(fā)射功率高、對(duì)人眼安全等特點(diǎn)；另一方面，具有反應(yīng)速度快、調(diào)制性好，無電磁干擾、無需申請(qǐng)無線電頻譜等優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)光二極管核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的芯片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。
GaN基材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體，并且其帶隙從1.8～6.2V連續(xù)可調(diào)，是生產(chǎn)高亮度藍(lán)光、綠光和白光LED的最常用材料。然而c方向生長的鋁銦鎵氮材料中存在很強(qiáng)的極化電場(chǎng)，該電場(chǎng)造成量子阱能帶傾斜，使電子和空穴在空間上分離，降低了復(fù)合發(fā)光效率。而且能帶傾斜產(chǎn)生的勢(shì)壘尖峰會(huì)阻擋空穴的輸運(yùn)，加之空穴有效質(zhì)量很大，使空穴在各個(gè)量子阱中分布極不均勻。
發(fā)光二極管是采用外延生長的方式生成的一種外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)主要由襯底、提供電子的N型層、提供空穴的P型層以及復(fù)合區(qū)的有源層組成，主要應(yīng)用于照明、交通信號(hào)燈、電視、手機(jī)等的背光源，背光源中的藍(lán)、綠、白光主要是采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法將氮化鎵材料沉積到藍(lán)寶石襯底上形成的。
在傳統(tǒng)的氮化鎵基二極管外延片結(jié)構(gòu)中，貫穿整個(gè)P～N結(jié)的位錯(cuò)為造成二極管性能降低的主要因素之一，此類位錯(cuò)會(huì)造成內(nèi)量子效率降低、反向漏電、抗靜電擊穿能力較差。
電子阻擋層PAlGaN在LED外延中是不可以或缺的，主要作用是利用AlGaN的高能帶阻擋發(fā)光層的電子外溢至P層，但是也帶來很多不好之處。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種LED外延片的制備方法，該方法可以進(jìn)一步減少發(fā)光面積損失，增加補(bǔ)充層提高量子阱的生長質(zhì)量，提高反向電壓，降低器件內(nèi)部漏電的同時(shí)，還利用In組分漸變的斜阱層，改變阱的禁帶寬度，以俘獲更多的電子和空穴，增大了電子與空穴的接觸面積，提高發(fā)光面積，降低電子的運(yùn)行速度，增大與空穴的接觸的有效電子數(shù)，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種LED外延片的制備方法，該制備方法包括如下步驟：
(1)準(zhǔn)備襯底
H2環(huán)境中高溫凈化襯底；在1000℃～1100℃的H2氣氛下，通入100L/min～130L/min的H2，保持反應(yīng)腔壓力100mbar～300mbar，處理襯底8min～10min；
(2)采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法在襯底上形成外延片
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩沖層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層、功能層、發(fā)光層和P型GaN層；
優(yōu)選的，在所述步驟(2)中，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法，在550～580℃，保持反應(yīng)腔壓力300mbar～600mbar，通入流量為10000sccm～20000sccm的NH3、50sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、在襯底上生長厚度為20nm～40nm的低溫緩沖層GaN。
優(yōu)選的，在步驟(2)中，在低溫緩沖層GaN生長U型GaN層：
首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；
然后快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
優(yōu)選的，在所述步驟(2)中，N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm～60000sccm的NH3、200sccm～400sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、20sccm～50sccm的SiH4，持續(xù)生長3μm～4μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E18atoms/cm3～1E19atoms/cm3；保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm～60000sccm的NH3、300sccm～400sccm的TMGa、110L/min～130L/min的H2、6sccm～10sccm的SiH4，持續(xù)生長300μm～400μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E17atoms/cm3～1E18atoms/cm3。
優(yōu)選的，在步驟(2)中，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法生長10～15個(gè)周期的壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層：
a.在N2或N2/H2混合氣氛、850～870℃條件下生長GaN壘層；
b.在N2或N2/H2混合氣氛、650～720℃條件下生長InGaN阱層；
c.補(bǔ)充層的生長：
阱層生長結(jié)束后，中斷金屬Ga源的通入，繼續(xù)通入金屬In源，中斷時(shí)間為10～25s，同時(shí)以1.0～1.5℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補(bǔ)充層；
d.斜阱層的生長：
再繼續(xù)通入金屬Ga源，同時(shí)以2.5～3℃/s的速度繼續(xù)升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
優(yōu)選的，在所述步驟(2)中，所述功能層至少包括3個(gè)由下至上依次生長的循環(huán)層，所述循環(huán)層包括由下至上依次生長的摻硅元素的N型GaN層，摻硅元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入硅元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻硅元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
優(yōu)選的，其中所述循環(huán)層中每一層的硅元素的摻雜濃度為1e17/cm3～1e19/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.02wt％～0.5wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.02wt％～0.05wt％。
優(yōu)選的，上述功能層的生長溫度位于750℃～1000℃范圍內(nèi)、壓力位于50torr～500torr范圍內(nèi)、轉(zhuǎn)速位于為1000rpm～1500rpm范圍內(nèi)、生長速率位于3μm/h～5μm/h范圍內(nèi)。
優(yōu)選的，在步驟(2)中，所述發(fā)光層為交替生長摻雜In的InxGa(1～x)N/GaN發(fā)光層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力400mbar～500mbar、溫度750℃～800℃，通入流量為60000sccm～80000sccm的NH3、20sccm～40sccm的TMGa、1500sccm～2000sccm的TMIn、100L/min～130L/min的N2，生長摻雜In的2.5nm～3.5nm的InxGa(1～x)N層，x＝0.26～0.28，發(fā)光波長450nm～455nm；接著升高溫度至750℃～850℃，保持反應(yīng)腔壓力300mbar～400mbar，通入流量為50000sccm～70000sccm的NH3、20sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的N2，生長8nm～15nm的GaN層；重復(fù)InxGa(1～x)N的生長，然后重復(fù)GaN的生長，交替生長InxGa(1～x)N/GaN發(fā)光層，控制周期數(shù)為10～12個(gè)。
優(yōu)選的，在步驟(2)中，采用如下方式生成P型GaN層：保持反應(yīng)腔壓力400mbar～900mbar、溫度950℃～1000℃，通入流量為50000sccm～70000sccm的NH3、20sccm～100sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、1000sccm～3000sccm的Cp2Mg，持續(xù)生長50nm～200nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：可以進(jìn)一步減少發(fā)光面積損失，增加補(bǔ)充層提高量子阱的生長質(zhì)量，提高反向電壓，降低器件內(nèi)部漏電的同時(shí)，還利用In組分漸變的斜阱層，改變阱的禁帶寬度，以俘獲更多的電子和空穴，增大了電子與空穴的接觸面積，提高發(fā)光面積，降低電子的運(yùn)行速度，增大與空穴的接觸的有效電子數(shù)，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
H2環(huán)境中高溫凈化襯底；在1000℃的H2氣氛下，通入100L/min的H2，保持反應(yīng)腔壓力100mbar，處理襯底8min。
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩沖層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層、功能層、發(fā)光層和P型GaN層。
采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法，在550℃，保持反應(yīng)腔壓力300mbar，通入流量為10000sccm的NH3、50sccm的TMGa、100L/min的H2、在襯底上生長厚度為20nm的低溫緩沖層GaN。
在低溫緩沖層GaN生長U型GaN層：首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；然后快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm的NH3、200sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、20sccm的SiH4，持續(xù)生長3μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E18atoms/cm3；保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm的NH3、300sccm的TMGa、110L/min的H2、6sccm的SiH4，持續(xù)生長300μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E17atoms/cm3。
采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法生長10個(gè)周期的壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層：在N2或N2/H2混合氣氛、850℃條件下生長GaN壘層；在N2或N2/H2混合氣氛、650℃條件下生長InGaN阱層；阱層生長結(jié)束后，中斷金屬Ga源的通入，繼續(xù)通入金屬In源，中斷時(shí)間為10s，同時(shí)以1.0℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補(bǔ)充層；再繼續(xù)通入金屬Ga源，同時(shí)以2.5/s的速度繼續(xù)升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
所述功能層至少包括3個(gè)由下至上依次生長的循環(huán)層，所述循環(huán)層包括由下至上依次生長的摻硅元素的N型GaN層，摻硅元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入硅元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻硅元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
其中所述循環(huán)層中每一層的硅元素的摻雜濃度為1e17/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.02wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.02wt％。
上述功能層的生長溫度位于750℃范圍內(nèi)、壓力位于50torr范圍內(nèi)、轉(zhuǎn)速位于為1000rpm范圍內(nèi)、生長速率位于3μm/h范圍內(nèi)。
所述發(fā)光層為交替生長摻雜In的In0.26Ga0.74N/GaN發(fā)光層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力400mbar、溫度750℃，通入流量為60000sccm的NH3、20sccm的TMGa、1500sccm的TMIn、100L/min的N2，生長摻雜In的2.5nm的In0.26Ga0.74N層，發(fā)光波長450nm；接著升高溫度至750℃，保持反應(yīng)腔壓力300mbar，通入流量為50000sccm的NH3、20sccm的TMGa、100L/min的N2，生長8nm的GaN層；重復(fù)In0.26Ga0.74N的生長，然后重復(fù)GaN的生長，交替生長In0.26Ga0.74N/GaN發(fā)光層，控制周期數(shù)為10個(gè)。
采用如下方式生成P型GaN層：保持反應(yīng)腔壓力400mbar～900mbar、溫度950℃，通入流量為50000sccm的NH3、20sccm的TMGa、100L/min～130L/min的H2、1000sccm的Cp2Mg，持續(xù)生長50nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm3。
實(shí)施例二
H2環(huán)境中高溫凈化襯底；在1050℃的H2氣氛下，通入120L/min的H2，保持反應(yīng)腔壓力200mbar，處理襯底9min。
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩沖層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層、功能層、發(fā)光層和P型GaN層。
采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法，在570℃，保持反應(yīng)腔壓力450mbar，通入流量為15000sccm的NH3、75sccm的TMGa、120L/min的H2、在襯底上生長厚度為20nm～40nm的低溫緩沖層GaN。
在低溫緩沖層GaN生長U型GaN層：首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；然后快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為45000sccm的NH3、300sccm的TMGa、120L/min的H2、40sccm的SiH4，持續(xù)生長3.5μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度7.5E18atoms/cm3；保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為40000sccm的NH3、350sccm的TMGa、120L/min的H2、8sccm的SiH4，持續(xù)生長350μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度7.5E17atoms/cm3。
采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法生長12個(gè)周期的壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層：在N2或N2/H2混合氣氛、860℃條件下生長GaN壘層；在N2或N2/H2混合氣氛、700℃條件下生長InGaN阱層；阱層生長結(jié)束后，中斷金屬Ga源的通入，繼續(xù)通入金屬In源，中斷時(shí)間為15s，同時(shí)以1.3℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補(bǔ)充層；再繼續(xù)通入金屬Ga源，同時(shí)以2.7℃/s的速度繼續(xù)升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
所述功能層至少包括3個(gè)由下至上依次生長的循環(huán)層，所述循環(huán)層包括由下至上依次生長的摻硅元素的N型GaN層，摻硅元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入硅元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻硅元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
其中所述循環(huán)層中每一層的硅元素的摻雜濃度為1e18/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.4wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.03wt％。
上述功能層的生長溫度位于800℃范圍內(nèi)、壓力位于200torr范圍內(nèi)、轉(zhuǎn)速位于為1200rpm范圍內(nèi)、生長速率位于4μm/h范圍內(nèi)。
所述發(fā)光層為交替生長摻雜In的In0.27Ga0.73N/GaN發(fā)光層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力450mbar、溫度775℃，通入流量為70000sccm的NH3、30sccm的TMGa、1700sccm的TMIn、100L/min～130L/min的N2，生長摻雜In的3nm的In0.27Ga0.73N層，發(fā)光波長453nm；接著升高溫度至800℃，保持反應(yīng)腔壓力360mbar，通入流量為60000sccm的NH3、70sccm的TMGa、12L/min的N2，生長10nm的GaN層；重復(fù)In0.27Ga0.73N的生長，然后重復(fù)GaN的生長，交替生長In0.27Ga0.73N/GaN發(fā)光層，控制周期數(shù)為11個(gè)。
采用如下方式生成P型GaN層：保持反應(yīng)腔壓力600mbar、溫度975℃，通入流量為60000sccm的NH3、50sccm的TMGa、120L/min的H2、2000sccm的Cp2Mg，持續(xù)生長100nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm3～1E20atoms/cm3。
實(shí)施例三
H2環(huán)境中高溫凈化襯底；在1100℃的H2氣氛下，通入130L/min的H2，保持反應(yīng)腔壓力300mbar，處理襯底10min。
所述外延片包括從襯底上由下而上依次生成低溫緩沖層、U型氮化鎵GaN層、N型GaN層、壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層、功能層、發(fā)光層和P型GaN層。
采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法，在580℃，保持反應(yīng)腔壓力600mbar，通入流量為20000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的H2、在襯底上生長厚度為40nm的低溫緩沖層GaN。
在低溫緩沖層GaN生長U型GaN層：首先生長2D型GaN層，生長溫度為1050℃，厚度為0.05um，生長壓力100torr；然后快速降溫增壓生長3D型GaN層，生長溫度為990℃，生長厚度為0.05um,生長壓力為400torr。
N型GaN為摻雜Si的N型GaN層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為60000sccm的NH3、400sccm的TMGa、130L/min的H2、50sccm的SiH4，持續(xù)生長4μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度1E19atoms/cm3；保持反應(yīng)腔壓力、溫度不變，通入流量為60000sccm的NH3、400sccm的TMGa、130L/min的H2、6sccm～10sccm的SiH4，持續(xù)生長400μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度1E18atoms/cm3。
采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法生長10～15個(gè)周期的壘層/阱層/補(bǔ)充層/斜阱層結(jié)構(gòu)的多量子阱層：在N2或N2/H2混合氣氛、870℃條件下生長GaN壘層；在N2或N2/H2混合氣氛、720℃條件下生長InGaN阱層；阱層生長結(jié)束后，中斷金屬Ga源的通入，繼續(xù)通入金屬In源，中斷時(shí)間為25s，同時(shí)以1.5℃/s的速度從阱層的生長溫度開始升溫，形成補(bǔ)充層；再繼續(xù)通入金屬Ga源，同時(shí)以3℃/s的速度繼續(xù)升溫，形成In組分漸變的斜阱層。
所述功能層至少包括3個(gè)由下至上依次生長的循環(huán)層，所述循環(huán)層包括由下至上依次生長的摻硅元素的N型GaN層，摻硅元素、鋁元素和銦元素的第一N型鋁銦氮化鎵AlInGaN層，摻入硅元素、鋁元素和銦元素的第二N型AlInGaN層，且所述摻硅元素的N型GaN層、所述第一N型AlInGaN層和所述第二N型AlInGaN層的摻雜濃度不同。
其中所述循環(huán)層中每一層的硅元素的摻雜濃度為1e19/cm3，摻雜有鋁元素的層中鋁元素的組分為0.5wt％，摻雜有銦元素的層中銦元素的組分為0.05wt％。
上述功能層的生長溫度位于1000℃范圍內(nèi)、壓力位于500torr范圍內(nèi)、轉(zhuǎn)速位于為1500rpm范圍內(nèi)、生長速率位于5μm/h范圍內(nèi)。
所述發(fā)光層為交替生長摻雜In的In0.28Ga 0.72N/GaN發(fā)光層，其生長工藝為：保持反應(yīng)腔壓力500mbar、溫度800℃，通入流量為80000sccm的NH3、40sccm的TMGa、2000sccm的TMIn、130L/min的N2，生長摻雜In的2.5nm～3.5nm的In0.28Ga 0.72N層發(fā)光波長455nm；接著升高溫度至850℃，保持反應(yīng)腔壓力300mbar～400mbar，通入流量為70000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的N2，生長15nm的GaN層；重復(fù)In0.28Ga 0.72N的生長，然后重復(fù)GaN的生長，交替生長In0.28Ga 0.72N/GaN發(fā)光層，控制周期數(shù)為12個(gè)。
采用如下方式生成P型GaN層：保持反應(yīng)腔壓力900mbar、溫度1000℃，通入流量為70000sccm的NH3、100sccm的TMGa、130L/min的H2、1000sccm～3000sccm的Cp2Mg，持續(xù)生長50nm～200nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E20atoms/cm3。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。