一種LED外延超晶格生長方法與流程

文檔序號：11136729閱讀：867來源：國知局

本申請涉及LED外延設計應用技術領域，具體地說，涉及一種LED外延超晶格生長方法。

背景技術：

目前LED(Light Emitting Diode，發光二極管)是一種固體照明設備，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，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。

但是，傳統的藍寶石LED外延生長的N層電流分布不均勻，導致電流擁擠N層阻值變高，導致發光層電流分布不均勻發光效率不高。

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LED外延超晶格生長方法，引入InAlN/Mg₂N₃超晶格層，能夠擴展LED電流，降低LED驅動電壓，提升LED光效性能，增加LED的亮度。

為了解決上述技術問題，本申請有如下技術方案：

一種LED外延超晶格生長方法，其特征在于，依次包括：處理襯底、生長低溫緩沖層GaN、生長不摻雜GaN層、生長摻雜Si的N型GaN層、生長發光層、生長P型AlGaN層、生長摻雜Mg的P型GaN層、降溫冷卻，

在所述生長摻雜Si的N型GaN層之后、所述生長發光層之前，還包括：生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層，

所述生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層，具體為：

保持反應腔壓力400mbar-500mbar、保持溫度900℃-1000℃，通入流量為30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-300sccm的TMAl、100L/min-130L/min的N₂、1000sccm-2000sccm的TMIn，生長厚度為10nm-20nm的InAlN層；

保持反應腔壓力400mbar-500mbar、保持溫度900℃-1000℃，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的H₂、1200-2500sccm的Cp₂Mg生長5-15nm的Mg₂N₃層；

周期性生長所述InAlN層和所述Mg₂N₃層，生長周期為10-20，

生長所述InAlN層層和生長所述Mg₂N₃層的順序可互換。

優選地，其中：

所述處理襯底，進一步為：在1000℃-1100℃的H₂氣氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反應腔壓力100mbar-300mbar，處理藍寶石襯底5min-10min。

優選地，其中：

所述生長低溫緩沖層，進一步為：

降低溫度至500℃-600℃，保持反應腔壓力300mbar-600mbar，通入流量為10000sccm-20000sccm NH₃、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在藍寶石襯底上生長厚度為20nm-40nm的低溫緩沖層GaN；

升高溫度至1000℃-1100℃，保持反應腔壓力300mbar-600mbar，通入流量為30000sccm-40000sccm NH₃、100L/min-130L/min的H₂，保持溫度穩定，持續300s-500s，將低溫緩沖層GaN腐蝕成不規則小島。

優選地，其中：

所述生長不摻雜GaN層，進一步為：

升高溫度到1000℃-1200℃，保持反應腔壓力300mbar-600mbar，通入流量為30000sccm-40000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、持續生長2μm-4μm的不摻雜GaN層。

優選地，其中：

所述生長摻雜Si的N型GaN層，進一步為：

優選地，其中：

所述生長發光層，進一步為：

保持反應腔壓力300mbar-400mbar、溫度700℃-750℃，通入流量為50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂，生長摻雜In的厚度為2.5nm-3.5nm的In_xGa_(1-x)N層，x＝0.20-0.25，發光波長450nm-455nm；

接著升高溫度至750℃-850℃，保持反應腔壓力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In_xGa_(1-x)N的生長，然后重復GaN的生長，交替生長In_xGa_(1-x)N/GaN發光層，控制周期數為7-15個。

優選地，其中：

所述生長P型AlGaN層，進一步為：

保持反應腔壓力200mbar-400mbar、溫度900℃-950℃，通入流量為50000sccm-70000sccm的NH₃、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp₂Mg，持續生長50nm-100nm的P型AlGaN層，Al摻雜濃度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

優選地，其中：

所述生長摻雜Mg的P型GaN層，進一步為：

保持反應腔壓力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，持續生長50nm-200nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

優選地，其中：

所述降溫冷卻，進一步為：

降溫至650℃-680℃，保溫20min-30min，接著關閉加熱系統、關閉給氣系統，隨爐冷卻。

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LED外延超晶格生長方法，與傳統方法相比，在所述生長摻雜Si的N型GaN層之后、生長發光層之前，引入生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層。新的材料InAlN/Mg₂N₃超晶格層利用Mg₂N₃的高能帶作為勢磊阻擋電子過快由N層傳播到發光層，縱向傳播比較擁擠的電子遇到Mg₂N₃能帶的阻擋適當的橫向擴散開來；同時InAlN/Mg₂N₃超晶格層形成高濃度的二維電子氣，二維電子氣的橫向遷移率很高，加速了電子的橫向擴展，宏觀上電流通過InAlN/Mg₂N₃超晶格層時被有效的擴展開來，從而使得發光層電流的分布變得均勻，進而提升了LED的發光效率，同時使得LED的各項電性參數變好。

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為本發明中LED外延層的結構示意圖；

圖2為對比實施例中LED外延層的結構示意圖；

其中，1、基板，2、低溫緩沖層GaN，3、U型GaN層，4、摻雜Si的GaN層，5、超晶格層，5.1、InAlN層，5.2、Mg₂N₃層，6、發光層，6.1、In_xGa_(1-x)N層，6.2、GaN層，7、P型AlGaN層，8、摻雜Mg的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，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。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

參見圖1，本發明運用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的混合氣體作為載氣，高純NH₃作為N源，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)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70mbar到900mbar之間。具體生長方式如下：

在所述生長摻雜Si的N型GaN層之后、生長發光層之前，還包括：生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層，

所述生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層，具體為：

保持反應腔壓力400mbar-500mbar、保持溫度900℃-1000℃，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的H₂、1200-2500sccm的Cp₂Mg生長5-15nm的Mg₂N₃層；

周期性生長所述InAlN層和所述Mg₂N₃層，生長周期為10-20，

生長所述InAlN層層和生長所述Mg₂N₃層的順序可互換。

本發明在生長摻雜Si的N型GaN層之后、生長發光層之前，引入了生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層的步驟，生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層。InAlN/Mg₂N₃超晶格層利用Mg₂N₃的高能帶作為勢磊阻擋電子過快由N層傳播到發光層，縱向傳播比較擁擠的電子遇到Mg₂N₃能帶的阻擋適當的橫向擴散開來；同時InAlN/Mg₂N₃超晶格層形成高濃度的二維電子氣，二維電子氣的橫向遷移率很高，加速了電子的橫向擴展，宏觀上電流通過InAlN/Mg₂N₃超晶格層時被有效的擴展開來，從而使得發光層電流的分布變得均勻，進而有利于提升LED的發光效率。

實施例2

以下提供本發明的LED外延超晶格生長方法的應用實施例，其外延結構參見圖1。運用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的混合氣體作為載氣，高純NH₃作為N源，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)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(0001)面藍寶石，反應壓力在70mbar到900mbar之間。具體生長方式如下：

步驟101、處理襯底：

在1000℃-1100℃的H₂氣氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反應腔壓力100mbar-300mbar，處理藍寶石襯底5min-10min。

步驟102、生長低溫緩沖層GaN：

降低溫度至500℃-600℃，保持反應腔壓力300mbar-600mbar，通入流量為10000sccm-20000sccm NH₃(sccm為標準毫升每分鐘)、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在藍寶石襯底上生長厚度為20nm-40nm的低溫緩沖層GaN；

步驟103、生長不摻雜GaN層：

步驟104、生長摻雜Si的N型GaN層：

保持反應腔壓力、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，持續生長3μm-4μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。(其中，1E19代表10的19次方也就是1*10¹⁹，以此類推，atoms/cm³為摻雜濃度單位，下同)

步驟105、生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層：

所述生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層，具體為：

保持反應腔壓力400mbar-500mbar、保持溫度900℃-1000℃，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的H₂、1200-2500sccm的Cp₂Mg生長5-15nm的Mg₂N₃層；

周期性生長所述InAlN層和所述Mg₂N₃層，生長周期為10-20，

生長所述InAlN層層和生長所述Mg₂N₃層的順序可互換。

步驟106、生長發光層：

接著升高溫度至750℃-850℃，保持反應腔壓力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In_xGa_(1-x)N的生長，然后重復GaN的生長，交替生長In_xGa_(1-x)N/GaN發光層，控制周期數為7-15個。

步驟107、生長P型AlGaN層：

步驟108、生長摻雜Mg的P型GaN層：

步驟109、降溫冷卻：

降溫至650℃-680℃，保溫20min-30min，接著關閉加熱系統、關閉給氣系統，隨爐冷卻。

實施例3

以下提供一種常規LED外延超晶格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2)：

1、在1000℃-1100℃的H₂氣氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反應腔壓力100mbar-300mbar，處理藍寶石襯底5min-10min。

2.1、降低溫度至500℃-600℃，保持反應腔壓力300mbar-600mbar，通入流量為10000sccm-20000sccm NH₃(sccm為標準毫升每分鐘)、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在藍寶石襯底上生長厚度為20nm-40nm的低溫緩沖層GaN；

2.2、升高溫度至1000℃-1100℃，保持反應腔壓力300mbar-600mbar，通入流量為30000sccm-40000sccm NH₃、100L/min-130L/min的H₂，保持溫度穩定，持續300s-500s，將低溫緩沖層GaN腐蝕成不規則小島。

3、升高溫度到1000℃-1200℃，保持反應腔壓力300mbar-600mbar，通入流量為30000sccm-40000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、持續生長2μm-4μm的不摻雜GaN層。

4、保持反應腔壓力、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，持續生長3μm-4μm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

5、保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、2sccm-10sccm的SiH₄，持續生長200nm-400nm摻雜Si的N型GaN，Si摻雜濃度5E17atoms/cm³-1E18atoms/cm³。

6、保持反應腔壓力300mbar-400mbar、溫度700℃-750℃，通入流量為50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂，生長摻雜In的厚度為2.5nm-3.5nm的In_xGa_(1-x)N層，x＝0.20-0.25，發光波長450nm-455nm；接著升高溫度至750℃-850℃，保持反應腔壓力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In_xGa_(1-x)N的生長，然后重復GaN的生長，交替生長In_xGa_(1-x)N/GaN發光層，控制周期數為7-15個。

7、保持反應腔壓力200mbar-400mbar、溫度900℃-950℃，通入流量為50000sccm-70000sccm的NH₃、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp₂Mg，持續生長50nm-100nm的P型AlGaN層，Al摻雜濃度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

8、保持反應腔壓力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，持續生長50nm-200nm的摻Mg的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

9、降溫至650℃-680℃，保溫20min-30min，接著關閉加熱系統、關閉給氣系統，隨爐冷卻。

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在生長摻雜Si的N型GaN層后引入生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層的步驟，即實施例2中的步驟105，步驟105與對比實施例中的第5步完全不同，生長其它外延層的生長條件完全一樣(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1500nm，相同的條件下鍍保護層SiO₂約100nm，然后在相同的條件下將樣品研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片顆粒，然后樣品1和樣品2在相同位置各自挑選100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，表2為樣品1和樣品2的電性參數對比表。

表1生長參數的對比

表2樣品1和樣品2產品電性參數的比較

通過表2的數據對比可看出，樣品2與樣品1相比，光效從134.5lm/w提高到了145.3lm/w，電壓從3.22V降低到3.15V，反向電壓從36V提升到37.03V，發光波長減小，漏電降低，2KV抗靜電良率從92.50％提高到94.20％，因此可得出以下結論：

通過本專利提供的生長方法，LED光效變好，亮度明顯提高，其他各項LED電性參數也變好。實驗數據證明了本專利的方案能顯著提升LED產品光效的可行性。

通過以上各實施例可知，本申請存在的有益效果是：

本發明LED外延超晶格生長方法，與傳統方法相比，在所述生長摻雜Si的N型GaN層之后、生長發光層之前生長InAlN/Mg₂N₃超晶格層。新的材料InAlN/Mg₂N₃超晶格層，利用Mg₂N₃的高能帶作為勢磊阻擋電子過快由N層傳播到發光層，縱向傳播比較擁擠的電子遇到Mg₂N₃能帶的阻擋適當的橫向擴散開來；同時InAlN/Mg₂N₃超晶格層形成高濃度的二維電子氣，二維電子氣的橫向遷移率很高，加速了電子的橫向擴展，宏觀上電流通過InAlN/Mg₂N₃超晶格層時被有效的擴展開來，從而使得發光層電流的分布變得均勻，進而提升了LED的發光效率，同時使得LED的各項電性參數變好。

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。

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