提高光效的LED外延生長方法與流程

本申請涉及LED外延設計應用技術領域，具體地說，涉及一種提高光效的LED外延生長方法。

背景技術：

目前LED(Light Emitting Diode，發光二極管)是一種固體照明，體積小、耗電量低使用壽命長高亮度、環保、堅固耐用等優點受到廣大消費者認可，國內生產LED的規模也在逐步擴大；市場上對LED亮度和光效的需求與日俱增，客戶關注的是LED更省電，亮度更高、光效更好，這就為LED外延生長提出了更高的要求；如何生長更好的外延片日益受到重視，因為外延層晶體質量的提高，LED器件的性能可以得到提升，LED的發光效率、壽命、抗老化能力、抗靜電能力、穩定性會隨著外延層晶體質量的提升而提升。

LED市場上現在要求LED芯片驅動電壓低，特別是大電流下驅動電壓越小越好、光效越高越好；LED市場價值的體現為(光效)/單價，光效越好，價格越高，所以LED高光效一直是LED廠家和院校LED研究所所追求的目標。高光效意味著光功率高、驅動電壓低，但光功率一定程度上受到P層空穴濃度的限制，驅動電壓一定程度上受到P層空穴遷移率的限制，注入的空穴濃度增加，發光層空穴和電子的復合效率增加，高光功率增加，P層空穴遷移率增加驅動電壓才能降低。

技術實現要素：

有鑒于此，本申請所要解決的技術問題是提供了一種提高光效的LED外延生長方法，把傳統的P型GaN層，設計為Mg濃度高低摻雜生長的超晶格結構，目的是通過先提高Mg濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結晶質量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，提高LED的發光效率。

為了解決上述技術問題，本申請有如下技術方案：

一種提高光效的LED外延生長方法，其特征在于，依次包括：處理襯底、生長低溫GaN成核層、生長高溫緩沖層GaN、生長非摻雜u-GaN層、生長摻雜Si的n-GaN層、生長發光層、生長p型AlGaN層、生長高溫p型GaN層、生長p型GaN接觸層、降溫冷卻，

所述生長高溫p型GaN層，具體為：

將TMGa和CP₂Mg作為MO源，保持反應腔壓力為100Torr-500Torr，生長溫度為850℃-1000℃，

先通入流量為0sccm-200sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第一GaN:Mg層；

再通入流量為200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第二GaN:Mg層；

反復生長所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層，生長周期為2-50，所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層的總厚度為40nm-200nm，其中，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

優選地，其中：

所述生長低溫GaN成核層，具體為：將溫度下降到500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反應腔壓力400Torr-650Torr，生長厚度為20nm-40nm的低溫GaN成核層。

優選地，其中：

所述生長高溫緩沖層GaN，具體為：

低溫GaN成核層生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，退火溫度升高至1000℃-1100℃，退火時間為5min-10min；

退火之后，將溫度調節至900℃-1050℃，保持反應腔壓力400Torr-650Torr，繼續通入TMGa，外延生長厚度為0.2μm-1μm的高溫緩沖層GaN。

優選地，其中：

所述生長非摻雜u-GaN層，具體為：

高溫緩沖層GaN生長結束后，通入NH₃和TMGa，保持溫度為1050℃-1200℃，保持反應腔壓力100Torr-500Torr，生長厚度為1μm-3μm的非摻雜u-GaN層。

優選地，其中：

所述生長摻雜Si的N型GaN層，具體為：

高溫非摻雜u-GaN層生長結束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長一層摻雜濃度穩定的n-GaN層，厚度為2μm-4μm，生長溫度為1050℃-1200℃，生長壓力為100Torr-600Torr，Si摻雜濃度為8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

優選地，其中：

所述生長發光層，具體為：

摻雜Si的n-GaN層生長結束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作為MO源，生長5-15個周期的In_yGa_1-y/GaN阱壘結構，其中，

量子阱In_yGa_1-y(y＝0.1-0.3)層的厚度為2nm-5nm，生長溫度為700℃-800℃，生長壓力為100Torr-500Torr，

壘層GaN的厚度為8nm-15nm，生長溫度為800℃-950℃，生長壓力為100Torr-500Torr，壘層中Si的摻雜濃度為8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³。

優選地，其中：

所述生長p型AlGaN層，具體為：

保持反應腔壓力20Torr-200Torr、生長溫度900℃-1100℃，生長時間為3min-10min，通入TMAl、TMGa和Cp₂Mg作為MO源，持續生長厚度為50nm-200nm的p型AlGaN層，其中，Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

優選地，其中：

所述生長p型GaN接觸層，具體為：

保持反應腔壓力100Torr-500Torr、生長溫度850℃-1050℃，通入TEGa和Cp₂Mg作為MO源，持續生長5nm-20nm的p型GaN接觸層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³。

優選地，其中：

所述降溫冷卻，具體為：

將反應室的溫度降至650℃-800℃，采用純N₂氛圍進行退火處理5min-10min，然后降至室溫，結束生長。

與現有技術相比，本申請所述的方法，達到了如下效果：

本發明提高光效的LED外延生長方法，與傳統方法相比，把傳統的P型GaN層，設計為Mg濃度高低生長的超晶格結構，目的是通過先提高Mg濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結晶質量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，進而提高LED的發光效率。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明提高光效的LED外延生長方法的流程圖；

圖2為本發明中LED外延層的結構示意圖；

圖3為對比實施例中LED外延層的結構示意圖；

圖4為30mil*30mil芯片亮度分布圖；

圖5為30mil*30mil芯片電壓分布圖；

其中，1、基板，2、緩沖層GaN，3、U型GaN層，4、n型GaN層，5、量子阱發光層，6、p型AlGaN層，7、Mg濃度高低生長的高溫P型GaN層，7.1、高Mg濃度GaN層，7.2、低Mg濃度GaN層，8、Mg:GaN接觸層，9、普通高溫P型GaN層。

具體實施方式

如在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領域技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求并不以名稱的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的“包含”為一開放式用語，故應解釋成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的誤差范圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差范圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性耦接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性耦接于所述第二裝置，或通過其他裝置或耦接手段間接地電性耦接至所述第二裝置。說明書后續描述為實施本申請的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本申請的一般原則為目的，并非用以限定本申請的范圍。本申請的保護范圍當視所附權利要求所界定者為準。

實施例1

本發明運用VEECO MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片。采用高純H₂或高純N₂或高純H₂和高純N₂(純度99.999％)的混合氣體作為載氣，高純NH₃(純度99.999％)作為N源，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)和三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷(SiH₄)，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂(CP₂Mg)，襯底為(001)面藍寶石，反應壓力在100Torr到1000Torr之間。具體生長方式如下：

一種提高光效的LED外延生長方法，參見圖1，依次包括：處理襯底、生長低溫GaN成核層、生長高溫緩沖層GaN、生長非摻雜u-GaN層、生長摻雜Si的n-GaN層、生長發光層、生長p型AlGaN層、生長高溫p型GaN層、生長p型GaN接觸層、降溫冷卻，

所述生長高溫p型GaN層，具體為：

將TMGa和CP₂Mg作為MO源，保持反應腔壓力為100Torr-500Torr，生長溫度為850℃-1000℃，

先通入流量為0sccm-200sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第一GaN:Mg層；

再通入流量為200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第二GaN:Mg層；

反復生長所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層，生長周期為2-50，所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層的總厚度為40nm-200nm，其中，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

本發明提高光效的LED外延生長方法，與傳統方法相比，把傳統的P型GaN層，設計為Mg濃度高低生長的超晶格結構，先通入高流量(流量為0sccm-200sccm)的CP₂Mg生長第一GaN:Mg層，再通入低流量(流量為200sccm-1000sccm)的CP₂Mg生長第二GaN:Mg層，第一GaN:Mg層的濃度高，第二GaN:Mg層的濃度低，目的是通過先提高Mg濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結晶質量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，進而提高LED的發光效率。

實施例2

以下提供本發明的提高光效的LED外延生長方法的應用實施例，其外延結構參見圖2，生長方法參見圖1。采用高純H₂或高純N₂或高純H₂和高純N₂(純度99.999％)的混合氣體作為載氣，高純NH₃(純度99.999％)作為N源，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)和三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷(SiH₄)，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂(CP₂Mg)，襯底為(001)面藍寶石，反應壓力在100Torr到1000Torr之間。具體生長方式如下：

步驟101、處理襯底：

將藍寶石襯底在氫氣氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050℃-1150℃。

步驟102、生長低溫GaN成核層：

將溫度下降到500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反應腔壓力400Torr-650Torr，生長厚度為20nm-40nm的低溫GaN成核層。

步驟103、生長高溫緩沖層GaN：

低溫GaN成核層生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，退火溫度升高至1000℃-1100℃，退火時間為5min-10min；

退火之后，將溫度調節至900℃-1050℃，保持反應腔壓力400Torr-650Torr，繼續通入TMGa、外延生長厚度為0.2μm-1μm的高溫緩沖層GaN。

步驟104、生長非摻雜u-GaN層：

高溫緩沖層GaN生長結束后，通入NH₃和TMGa，保持溫度為1050℃-1200℃，保持反應腔壓力100Torr-500Torr，生長厚度為1μm-3μm的非摻雜u-GaN層。

步驟105、生長摻雜Si的n-GaN層：

高溫非摻雜u-GaN層生長結束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長一層摻雜濃度穩定的n-GaN層，厚度為2μm-4μm，生長溫度為1050℃-1200℃，生長壓力為100Torr-600Torr，Si摻雜濃度為8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

步驟106、生長量子阱MQW發光層：

摻雜Si的n-GaN層生長結束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作為MO源，生長5-15個周期的In_yGa_1-y/GaN阱壘結構，其中，

量子阱In_yGa_1-y(y＝0.1-0.3)層的厚度為2nm-5nm，生長溫度為700℃-800℃，生長壓力為100Torr-500Torr，

壘層GaN的厚度為8nm-15nm，生長溫度為800℃-950℃，生長壓力為100Torr-500Torr，壘層中Si的摻雜濃度為8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³。

步驟107、生長p型AlGaN層：

保持反應腔壓力20Torr-200Torr、生長溫度900℃-1100℃，生長時間為3min-10min，通入TMAl、TMGa和Cp₂Mg作為MO源，持續生長厚度為50nm-200nm的p型AlGaN層，其中，Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

步驟108、生長高溫p型GaN層：

P型AlGaN層生長結束后，將TMGa和CP₂Mg作為MO源，保持反應腔壓力為100Torr-500Torr，生長溫度為850℃-1000℃，

先通入流量為0sccm-200sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第一GaN:Mg層；

再通入流量為200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第二GaN:Mg層；

反復生長所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層，生長周期為2-50，所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層的總厚度為40nm-200nm，其中，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

步驟109、生長p型GaN接觸層：

P型GaN層生長結束后，保持反應腔壓力100Torr-500Torr、生長溫度850℃-1050℃，通入TEGa和Cp₂Mg作為MO源，持續生長5nm-20nm的p型GaN接觸層，即Mg:GaN，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³。

步驟110、降溫冷卻：

外延生長結束后，將反應室的溫度降至650℃-800℃，采用純N₂氛圍進行退火處理5min-10min，然后降至室溫，結束生長。

外延結構經過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續半導體加工工藝制成單顆小尺寸芯片。

本申請的上述步驟108中，將傳統的p型GaN層設計為Mg濃度高低生長的超晶格結構，目的是通過先提高Mg濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結晶質量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，提高LED的發光效率。

實施例3

以下提供一種常規的LED外延生長方法作為本發明的對比實施例。

常規LED外延的生長方法為(外延層結構參見圖3)：

1、將藍寶石襯底在氫氣氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050-1150℃。

2、將溫度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生長20-40nm厚的低溫GaN成核層，生長壓力為400-650Torr。

3、低溫GaN成核層生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，退火溫度升高至1000-1100℃，退火時間為5-10min；退火之后，將溫度調節至900-1050℃，繼續通入TMGa，外延生長厚度為0.2-1um間的高溫GaN緩沖層，生長壓力為400-650Torr。

4、高溫GaN緩沖層生長結束后，通入NH₃和TMGa，生長厚度為1-3um非摻雜的u-GaN層，生長過程溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-500Torr。

5、高溫非摻雜GaN層生長結束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長一層摻雜濃度穩定的n-GaN層，厚度為2-4um，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-600Torr，Si摻雜濃度為8*10¹⁸-2*10¹⁹cm^-3。

6、n-GaN生長結束后,生長多周期量子阱MQW發光層，所用MO源為TEGa、TMIn及SiH₄。發光層多量子阱由5-15個周期的In_yGa_1-yN/GaN阱壘結構組成，其中量子阱In_yGa_1-yN(y＝0.1-0.3)層的厚度為2-5nm，生長溫度為700-800℃，生長壓力為100-500Torr；其中壘層GaN的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950℃，生長壓力為100-500Torr，壘層GaN進行低濃度Si摻雜，Si摻雜濃度為8*10¹⁶-6*10¹⁷cm^-3。

7、多周期量子阱MQW發光層生長結束后，生長厚度為50-200nm的p型AlGaN層，所用MO源為TMAl，TMGa和CP₂Mg。生長溫度為900-1100℃，生長時間為3-10min，壓力在20-200Torr，p型AlGaN層的Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度為10¹⁸-10²¹cm^-3。

8、p型AlGaN層生長結束后，生長高溫p型GaN層，所用MO源為TMGa和CP₂Mg。生長厚度為100-800nm，生長溫度為850-1000℃，生長壓力為100-500Torr，Mg摻雜濃度為10¹⁸-10²¹cm^-3。

9、P型GaN層生長結束后，生長厚度為5-20nm的p型GaN接觸層，即Mg:GaN，所用MO源為TEGa和CP₂Mg。生長溫度為850-1050℃，生長壓力為100-500Torr，Mg摻雜濃度為10¹⁹-10²²cm^-3。

10、外延生長結束后，將反應室的溫度降至650-800℃，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-10min，然后降至室溫，結束生長。外延結構經過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續半導體加工工藝制成單顆小尺寸芯片。

在同一機臺上，根據常規的LED的生長方法(對比實施例的方法)制備樣品1，根據本專利描述的方法制備樣品2；樣品1和樣品2外延生長方法參數不同點在于本發明把傳統的P型GaN層，設計為Mg濃度高低摻雜生長的超晶格結構，其它外延層生長條件完全一樣，參見表1。

樣品1和樣品2在相同的前工藝條件下鍍ITO層約150nm，相同的條件下鍍Cr/Pt/Au電極約70nm，相同的條件下鍍保護層SiO₂約30nm，然后在相同的條件下將樣品研磨切割成762μm*762μm(30mil*30mil)的芯片顆粒，然后樣品1和樣品2在相同位置各自挑選150顆晶粒，在相同的封裝工藝下，封裝成白光LED。然后采用積分球在驅動電流350mA條件下測試樣品1和樣品2的光電性能。

表1為樣品1和樣品2生長參數對比表。樣品1為傳統生長方式，生長單層p型GaN層；樣品2為本專利生長方式，將傳統p型GaN層改為10個周期的Mg濃度高低摻雜的超晶格層。

表1生長參數對比

將積分球獲得的數據進行分析對比，請參考圖4和圖5，從圖4數據可看出，樣品2較樣品1亮度從500mw左右增加至515mw左右，從圖5數據可看出，樣品2較樣品1驅動電壓從3.325V降低至3.275V左右。實驗數據證明了本專利的方案提高了大尺寸芯片的亮度并降低了驅動電壓。

通過以上各實施例可知，本申請存在的有益效果是：

本發明提高光效的LED外延生長方法，與傳統方法相比，把傳統的P型GaN層，設計為Mg濃度高低生長的超晶格結構，目的是通過先提高Mg濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結晶質量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，進而提高LED的發光效率。

本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、裝置、或計算機程序產品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。

上述說明示出并描述了本申請的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本申請并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本申請的精神和范圍，則都應在本申請所附權利要求的保護范圍內。