一種提高發光二極管品質的外延生長方法與流程

本發明涉及半導體技術領域，更具體地，涉及一種提高發光二極管品質的外延生長方法。

背景技術：

工業、家庭照明每年消耗的電量不容小噓，成為國家電力系統的一大負擔，為響應國家節能減排的號召，用戶更傾向于選取節能的照明設備。其中，發光二極管(light emitting diode，LED)固體照明，因為其體積小、使用壽命長、高亮度、節能環保以及堅固耐用等優點深受廣大消費者信賴。伴隨科技的快速發展，國產LED的生產規模在逐步擴大，LED的市場需求品質也越來越高，其中大功率器件驅動電壓和亮度要求是目前市場需求的重點，這就為LED外延生長提出了更高的要求。

目前采用在2英寸或者4英寸藍寶石pss襯底或者平面襯上通過有機金屬化合物化學氣相淀積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)的方法生長外延片；圖2為現有技術中發光二極管的結構示意圖，包含：基板藍寶石Al₂O₃層201、低溫緩沖層GaN層202、不摻雜的GaN層203、摻雜Si的N型GaN層204、發光層205(包括：In_xGa_(1-x)N層251、GaN層252)、P型AlGaN層206、摻Mg的P型GaN層207、ITO層208、保護層SiO₂層209、P電極210、N電極211；

圖1為現有技術發光二極管外延生長方法的流程示意圖，所述LED外延生長方如下：

步驟101、處理藍寶石襯底：在1000-1100℃的的氫氣氣氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反應腔壓力100-300mbar(氣壓單位)，處理藍寶石襯底8-10分鐘。

步驟102、生長低溫緩沖層GaN層：降溫至500-600℃下，保持反應腔壓力300-600mbar，通入流量為10000-20000sccm(sccm備注標準毫升每分鐘)的NH₃、50-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、在藍寶石襯底上生長厚度為20-40nm的低溫緩沖層GaN。

步驟103、低溫緩沖層GaN層腐蝕處理：升高溫度到1000-1200℃，保持反應腔壓力300-600mbar，通入流量為30000-40000sccmNH₃、100-130L/min的H₂、持續300-500s將低溫緩沖層GaN腐蝕成不規則小島。

步驟104、生長不摻雜GaN層：升高溫度到1000-1200℃，保持反應腔壓力300-600mbar，通入流量為30000-40000sccm(sccm備注標準毫升每分鐘)的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、持續生長2-4μm的不摻雜GaN層。

步驟105、生長摻雜Si的第一N型GaN層：保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄持續生長3-4μm摻雜Si的第一N型GaN層，Si摻雜濃度5E18-1E19atoms/cm³(備注1E19代表10的19次方,atoms/cm³摻雜濃度單位，以此類推)；

步驟106、生長摻雜Si的第二N型GaN層：保持反應腔壓力、溫度不變，通入流量為30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、2-10sccm的SiH₄持續生長200-400nm摻雜Si的第二N型GaN層，Si摻雜濃度5E17-1E18atoms/cm³；

步驟107、生長In_xGa_(1-x)N/GaN發光層：保持反應腔壓力300-400mbar、溫度700-750℃，通入流量為50000-70000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N₂，生長摻雜In的2.5-3.5nm的In_xGa_(1-x)N(x＝0.20-0.25)，發光波長450-455nm；接著升高溫度至750-850℃，保持反應腔壓力300-400mbar，通入流量為50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的N₂，生長8-15nm的GaN層；然后重復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得到發光層，控制周期數為7-15個；

步驟108、生長P型AlGaN層：保持反應腔壓力200-400mbar、溫度900-950℃，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp₂Mg,持續生長50-100nm的P型AlGaN層，Al摻雜濃度1E20-3E20atoms/cm³，Mg摻雜濃度1E19-1E20atoms/cm³；

步驟109、生長摻鎂的P型GaN層：保持反應腔壓力400-900mbar、溫度950-1000℃，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、1000-3000sccm的Cp₂Mg,持續生長50-100nm的摻鎂的P型GaN層，Mg摻雜濃度1E19-1E20atoms/cm³；

步驟110、降溫冷卻得到發光二極管：最后降溫至650-680℃，保溫20-30min，接著關閉加熱系統、關閉給氣系統，隨爐冷卻；

現有LED制備技術中，在N型GaN層上生長In_xGa_(1-x)N層，由于N型GaN和In_xGa_(1-x)N晶格失配度大，使得發光層中In_xGa_(1-x)N層存在很大應力，In_xGa_(1-x)N空穴和電子的波函數發生分離，電子和空穴的復合效率偏低，進而導致發光層發光效率不高。

因此，提供一種提高發光二極管品質的外延生長方法，釋放發光層內部應力，提高發光效率是本領域亟待解決的問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種提高發光二極管品質的外延生長方法，解決了現有技術中發光層應力大導致發光層發光效率不高的技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明提出一種提高發光二極管品質的外延生長方法，包括：處理藍寶石襯底、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、生長應力釋放層、生長In_xGa_(1-x)N/GaN發光層、生長P型AlGaN層、生長摻鎂的P型GaN層、降溫冷卻得到發光二極管；其中，

生長應力釋放層，進一步包括：

保持反應腔壓力在300-400mbar、溫度為750-850℃的條件下，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、10-20sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生長10-50nm的SiInGaN層，其中，Si的摻雜濃度為1E17-5E17atoms/cm³，In的摻雜濃度為1E19-5E19atoms/cm³；

保持溫度750-850℃、反應腔壓力在300-400mbar的條件下，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、1500-2000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生長1-2nm的SiInN層，Si的摻雜濃度為1E17-5E17atoms/cm³；周期性生長SiInGaN層及SiInN層，并控制周期數為10-20個。

進一步地，其中，處理藍寶石襯底，為：

在溫度為1000-1100℃、通入100L/min-130L/min的H₂、保持反應腔壓力為100-300mbar的條件下，處理藍寶石襯底8-10分鐘。

進一步地，其中，生長低溫緩沖層GaN，為：

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

進一步地，其中，生長低溫緩沖層GaN，為：

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

升高溫度到1000-1200℃、保持反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-40000sccm的NH₃、100-130L/min的H₂、持續300-500s將所述低溫緩沖層GaN腐蝕成不規則的島狀。

進一步地，其中，生長不摻雜GaN層，為：

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

進一步地，其中，生長摻雜Si的N型GaN層，為：

保持溫度為1000-1200℃、反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄，持續生長3-4μm摻雜Si的N型GaN層，其中，Si摻雜濃度為5E18-1E19atoms/cm³。

進一步地，其中，生長摻雜Si的N型GaN層，為：

保持溫度為1000-1200℃、反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄，持續生長3-4μm第一摻雜Si的N型GaN層，其中，Si摻雜濃度為5E18-1E19atoms/cm³；

保持溫度為1000-1200℃、反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、2-10sccm的SiH₄，持續生長200-400nm第二摻雜Si的N型GaN，其中，Si摻雜濃度5E17-1E18atoms/cm³。

進一步地，其中，生長In_xGa_(1-x)N/GaN發光層，為：

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

升高溫度至750-850℃、保持反應腔壓力為300-400mbar、通入流量為50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的N₂的條件下，生長8-15nm的GaN層；

交替生長In_xGa_(1-x)N層及GaN層得到In_xGa_(1-x)N/GaN發光層，其中，交替生長周期數為7-15個。

進一步地，其中，生長P型AlGaN層，為：

保持反應腔壓力為200-400mbar、溫度為900-950℃、通入流量為50000-70000sccm的NH₃、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp₂Mg的條件下，持續生長50-100nm的P型AlGaN層，其中，Al摻雜濃度為1E20-3E20atoms/cm³，Mg摻雜濃度1E19-1E20atoms/cm³。

進一步地，其中，生長摻鎂的P型GaN層，為：

保持反應腔壓力為400-900mbar、溫度為950-1000℃、通入流量為50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、1000-3000sccm的Cp₂Mg的條件下，持續生長50-100nm的摻鎂的P型GaN層，其中，Mg摻雜濃度1E19-1E20atoms/cm³。

與現有技術相比，本發明的提高發光二極管品質的外延生長方法，實現了如下的有益效果：

(1)本發明所述的提高發光二極管品質的外延生長方法，在N型GaN層和發光層之間引入了SiInN/SiInGaN超晶格層的設計，通過SiInN/SiInGaN超晶格層中晶格常數隨周期數的增加而逐步放大的變化，以趨于實現SiInN/SiInGaN超晶格層與In_xGa_(1-x)N層的晶格匹配，使In_xGa_(1-x)N層處于無應力狀態。避免了現有技術發光層中的In_xGa_(1-x)N存在應力過大的問題。

(2)本發明所述的提高發光二極管品質的外延生長方法，應力釋放層的設計，適于在SiInN/SiInGaN超晶格層上面直接生長In_xGa_(1-x)N，發光層材料In_xGa_(1-x)N/GaN與SiInN/SiInGaN超晶格非常接近，實現了發光層的應力釋放，從而顯著提升了發光層的電性參數和光效，進而提升LED品質。

當然，實施本發明的任一產品必不特定需要同時達到以上所述的所有技術效果。

通過以下參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的其它特征及其優點將會變得清楚。

附圖說明

被結合在說明書中并構成說明書的一部分的附圖示出了本發明的實施例，并且連同其說明一起用于解釋本發明的原理。

圖1為現有技術中發光二極管外延生長方法的流程示意圖；

圖2為現有技術中發光二極管的結構示意圖；

圖3為本發明實施例1中所述提高發光二極管品質的外延生長方法的流程示意圖；

圖4為本發明實施例1中所述發光二極管的結構示意圖；

圖5為本發明實施例3中所述現有技術方法制備得到LED與本發明方法制備得到LED對比實驗的流程圖；

圖6為本發明實施例2中所述提高發光二極管品質的外延生長方法的流程示意圖。

具體實施方式

現在將參照附圖來詳細描述本發明的各種示例性實施例。應注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的范圍。

以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。

對于相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為說明書的一部分。

在這里示出和討論的所有例子中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它例子可以具有不同的值。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步討論。

實施例1

如圖4所示，為本發明實施例所述發光二極管的結構示意圖，本實施例所述的發光二極管結構包括：基板藍寶石Al₂O₃層401、低溫緩沖層GaN層402、不摻雜的GaN層403、摻雜Si的GaN層404、應力釋放層405(包括：SiInN層451、SiInGaN層452)、發光層406(包括：In_xGa_(1-x)N層461、GaN層462)、P型AlGaN層407、摻Mg的P型GaN層408、ITO層409、SiO₂保護層410、P電極411、N電極412。

圖3為本實施例所述提高發光二極管品質的外延生長方法的流程示意圖；本實施例所述方法解決了現有技術中發光層應力大而導致發光層發光效率不高的技術問題。本實施例所述提高發光二極管品質的外延生長方法包括以下步驟：

步驟301、處理藍寶石襯底；在溫度為1000-1100℃、通入H₂、保持反應腔壓力為100-300mbar的條件下，處理藍寶石。

步驟302、生長低溫緩沖層GaN層。

步驟303、生長不摻雜的GaN層。

步驟304、生長摻雜Si的N型GaN層。

步驟305、生長應力釋放層；包括：

保持反應腔壓力在300-400mbar、溫度為750-850℃的條件下，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、10-20sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生長10-50nm的SiInGaN層，其中，Si的摻雜濃度為1E17-5E17atoms/cm³，In的摻雜濃度為1E19-5E19atoms/cm³；

保持溫度750-850℃、反應腔壓力在300-400mbar的條件下，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、1500-2000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生長1-2nm的SiInN層，Si的摻雜濃度為1E17-5E17atoms/cm³；周期性生長SiInGaN層及SiInN層，并控制周期數為10-20個。

步驟306、生長In_xGa_(1-x)N/GaN發光層。

步驟307、生長P型AlGaN層。

步驟308、生長摻鎂的P型GaN層。

步驟309、降溫冷卻得到發光二極管。

本實施例所述的，在N型GaN層和In_xGa_(1-x)N層之間設計有SiInN/SiInGaN超晶格層，通過SiInN/SiInGaN超晶格層晶格常數的變化，釋放發光層中In_xGa_(1-x)N的應力，生長完全弛豫的SiInN/SiInGaN超晶格用于發光層的生長，發光層材料In_xGa_(1-x)N/GaN與SiInN/SiInGaN超晶格非常接近，實現了發光層的應力釋放。

實施例2

圖6為本發明實施例所述提高發光二極管品質的外延生長方法的流程示意圖所示；本實施例在實施例1的基礎上，進一步對發光二極管的外延生長方法進行了說明。本實施例所述提高發光二極管品質的外延生長方法包括以下步驟：

步驟601、在溫度為1000-1100℃、通入100L/min-130L/min的H₂、保持反應腔壓力為100-300mbar的條件下，處理藍寶石襯底8-10分鐘。

步驟602、降溫至500-600℃、保持反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為10000-20000sccm的NH₃、50-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在藍寶石襯底上生長厚度為20-40nm的低溫緩沖層GaN層。

步驟603、升高溫度到1000-1200℃、保持反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-40000sccm的NH₃、100-130L/min的H₂、持續300-500s將所述低溫緩沖層GaN腐蝕成不規則的島狀。

步驟604、升高溫度到1000-1200℃、保持反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-40000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂，持續生長2-4μm的不摻雜GaN層。

步驟605、保持溫度為1000-1200℃、反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄，持續生長3-4μm第一摻雜Si的N型GaN層，其中，Si摻雜濃度為5E18-1E19atoms/cm³。

步驟606、保持溫度為1000-1200℃、反應腔壓力為300-600mbar、通入流量為30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、2-10sccm的SiH₄，持續生長200-400nm第二摻雜Si的N型GaN，其中，Si摻雜濃度5E17-1E18atoms/cm³。

步驟607、保持反應腔壓力在300-400mbar、溫度為750-850℃的條件下，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、10-20sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生長10-50nm的SiInGaN層，其中，Si的摻雜濃度為1E17-5E17atoms/cm³，In的摻雜濃度為1E19-5E19atoms/cm³。

步驟608、保持溫度750-850℃、反應腔壓力在300-400mbar的條件下，通入流量為50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、1500-2000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生長1-2nm的SiInN層，Si的摻雜濃度為1E17-5E17atoms/cm³；周期性生長SiInGaN層及SiInN層，并控制周期數為10-20個。

步驟609、保持反應腔壓力300-400mbar、溫度為700-750℃、通入流量為50000-70000sccm的NH₃、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N₂的條件下，生長摻雜In的2.5-3.5nm的In_xGa_(1-x)N層，其中，x＝0.20-0.25，發光波長450-455nm。

步驟610、升高溫度至750-850℃、保持反應腔壓力為300-400mbar、通入流量為50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的N₂的條件下，生長8-15nm的GaN層。

步驟611、交替生長In_xGa_(1-x)N層及GaN層得到In_xGa_(1-x)N/GaN發光層，其中，交替生長周期數為7-15個。

步驟612、保持反應腔壓力為200-400mbar、溫度為900-950℃、通入流量為50000-70000sccm的NH₃、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp₂Mg的條件下，持續生長50-100nm的P型AlGaN層，其中，Al摻雜濃度為1E20-3E20atoms/cm³，Mg摻雜濃度1E19-1E20atoms/cm³。

步驟613、保持反應腔壓力為400-900mbar、溫度為950-1000℃、通入流量為50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、1000-3000sccm的Cp₂Mg的條件下，持續生長50-100nm的摻鎂的P型GaN層，其中，Mg摻雜濃度1E19-1E20atoms/cm³。

步驟614、最后降溫至650-680℃，保溫20-30min，接著關閉加熱系統、關閉給氣系統，隨爐冷卻。

在N型GaN層與In_xGa_(1-x)N層之間引入了SiInN/SiInGaN超晶格層的設計；SiInN/SiInGaN超晶格層的晶格常數隨著周期數的增加而逐步放大，實現SiInN/SiInGaN超晶格層與In_xGa_(1-x)N層的晶格匹配，使發光層In_xGa_(1-x)N/GaN處于弛豫狀態(無應力狀態)，從而顯著提升了發光層的電性參數及發光效率，進而提升LED品質。

實施例3

以下提供本發明所述提高發光二極管品質的外延生長方法的應用實施例，對LED的現有技術制備方法和上述實施例制備方法進行了對比試驗，如表1所示：

樣品1為現有技術制備的LED，制備流程如圖1所示；樣品2為本專利技術制備的LED，制備流程如圖3所示；所述樣品1和樣品2發光二極管外延生長方法的區別在于：發光層的生長條件不同。樣品1與樣品2光電性能的對比實驗如圖5所示，步驟如下：

步驟501、現有技術LED樣品1和發明技術LED樣品2各取三片。

步驟502、以相同的工藝，分別在樣品1、2上鍍ITO層，厚約150nm。

步驟503、以相同的條件，分別在樣品1、2的ITO層上鍍Cr/Pt/Au電極約1500nm。

步驟504、以相同的條件，分別在樣品1、2的Cr/Pt/Au電極上鍍保護層SiO₂約100nm。

步驟505、相同的條件下，分別把處理后的樣品1、2研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片顆粒。

步驟506、分別在樣品1、2的相同位置挑選100顆晶粒，在相同的工藝下封裝成白光LED。

步驟507、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發光層制備工藝的參數對比表

表2樣品1、2的電性參數對比表

所述積分球測試獲取的產品光電性能數據列入表2，經分析對比可得：本發明所述提高發光二極管品質的外延生長方法，所獲得的LED的電性參數及光效顯著增加，LED品質得到提升，實驗數據證明了本發明方案具有提升LED產品質量的可行性。

通過上述實施例可知，本發明的提高發光二極管品質的外延生長方法，達到了如下的有益效果：

(1)本發明所述的提高發光二極管品質的外延生長方法，在N型GaN層和發光層之間引入了SiInN/SiInGaN超晶格層的設計，通過SiInN/SiInGaN超晶格層中晶格常數隨周期數的增加而逐步放大的變化，以趨于實現SiInN/SiInGaN超晶格層與In_xGa_(1-x)N層的晶格匹配，使In_xGa_(1-x)N層處于無應力狀態。避免了現有技術發光層中的In_xGa_(1-x)N存在應力過大的問題。

(2)本發明所述的提高發光二極管品質的外延生長方法，應力釋放層的設計，適于在SiInN/SiInGaN超晶格層上面直接生長In_xGa_(1-x)N，發光層材料In_xGa_(1-x)N/GaN與SiInN/SiInGaN超晶格非常接近，實現了發光層的應力釋放，從而顯著提升了發光層的電性參數和光效，進而提升LED品質。

本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、裝置、或計算機程序產品。因此，本發明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，本發明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。

雖然已經通過例子對本發明的一些特定實施例進行了詳細說明，但是本領域的技術人員應該理解，以上例子僅是為了進行說明，而不是為了限制本發明的范圍。本領域的技術人員應該理解，可在不脫離本發明的范圍和精神的情況下，對以上實施例進行修改。本發明的范圍由所附權利要求來限定。