可提高光效的LED外延片及其生长方法与流程

本发明涉及LED领域，具体涉及一种可提高光效的LED外延片及其生长方法。

背景技术：

目前，市场对LED产品的要求越来越高，具体为：要求LED芯片驱动电压低，特别是大电流下驱动电压越低越好、光效越高越好；LED市场价值的体现为(光效)/(单价)，光效越好，对应价格也越高，故高光效一直是LED厂家、高校和科研院所追求的目标。高光效意味着光功率高、驱动电压低，但光功率一定程度上受到P层空穴浓度的限制，驱动电压一定程度上受到P层空穴迁移率的限制，注入的空穴浓度增加，发光层空穴和电子的复合效率增加，高光功率增加，P层空穴迁移率增加驱动电压才能降低。

以下提供一种传统LED外延结构，详见图1，其生长方法具体是：

第一步、将蓝宝石衬底1在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050-1150℃；

第二步、将温度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层2，生长压力为400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500-3000；

第三步、低温GaN成核层2生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000-1100℃，退火时间为5-10min；退火之后，将温度调节至900-1050℃，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2-1um间的高温GaN缓冲层3，生长压力为400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500-3000；

第四步、高温GaN缓冲层3生长结束后，通入NH₃和TMGa,生长厚度为1-3um的非掺杂的U型GaN层4，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-3000；

第五步、非掺杂的U型GaN层4生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长厚度为2-4um的N型GaN层5，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-3000，Si掺杂浓度为8E18-2E19atom/cm³；

第六步、N型GaN层5生长完成后，生长多周期量子阱发光层6，所用MO源为TMIn、TEGa，N型掺杂剂为硅烷；多周期量子阱发光层6由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒结构组成，其中量子阱In_yGa_1-yN层的厚度为2-5nm，y＝0.1-0.3，生长温度为700-800℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000；其中GaN垒层的厚度为8-15nm，生长温度为800-950℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000，Si组分摩尔配比为0.5％-3％；

第七步、多周期量子阱发光层6生长结束后，生长厚度为50-200nm的P型AlGaN层7，所用MO源为TMAl、TMGa及Cp₂Mg；生长温度为900-1100℃，生长时间为3-10min，压力在20-200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1000-20000，Al的摩尔组分为10％-30％，Mg的摩尔组分为0.05％-0.3％；

第八步、P型AlGaN层7生长结束后，生长高温P型GaN层8，所用MO源为TMGa和Cp₂Mg；生长厚度为50-800nm，生长温度为850-1000℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000，Mg掺杂浓度为1E18-1E20atom/cm³；

第九步、高温P型GaN层8生长结束后，生长厚度为5-20nm的P型GaN接触层9，所用MO源为TMGa和Cp₂Mg；生长温度为850-1050℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1000-5000；

第十步、外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，然后降至室温，结束生长。

外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续半导体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

技术实现要素：

本发明提供一种发光功率大、驱动电压低的可提高光效的LED外延片生长方法，具体方案如下：

一种可提高光效的LED外延片生长方法，依次包括蓝宝石衬底退火处理、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长非掺杂的U型GaN层、生长N型GaN层、生长多周期量子阱发光层、生长P型AlGaN层、生长GaN:Mg层组、生长P型GaN接触层以及降温退火处理；

所述GaN:Mg层组的厚度为50-800nm，其包括周期性生长的1-80个GaN:Mg单层；所述GaN:Mg单层包括第一GaN:Mg层和第二GaN:Mg层，所述GaN:Mg单层的生长过程具体是：控制温度为750℃-850℃，通入TMGa和Cp₂Mg，生长厚度为5-50nm的第一GaN:Mg层；升温至850℃-1000℃，生长厚度为5-50nm的第二GaN:Mg层。

以上技术方案中优选的，蓝宝石衬底退火处理具体为：将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050-1150℃；

生长低温GaN成核层具体为：将温度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层，生长压力为400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500-3000。

以上技术方案中优选的，生长高温GaN缓冲层具体为：低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000-1100℃，退火时间为5-10min；退火之后，将温度调节至900-1050℃，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2-1um的高温GaN缓冲层，生长压力为400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500-3000。

以上技术方案中优选的，生长非掺杂的U型GaN层具体为：高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH₃和TMGa生长厚度为1-3um的非掺杂的U型GaN层，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-3000。

以上技术方案中优选的，生长N型GaN层具体为：非掺杂的U型GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长厚度为2-4um的N型GaN层，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-3000，Si掺杂浓度为8E18-2E19atom/cm³。

以上技术方案中优选的，生长多周期量子阱发光层具体为：N型GaN层生长完成后生长多周期量子阱发光层，所用MO源为TMIn、TEGa，N型掺杂剂为硅烷；多周期量子阱发光层由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒结构组成，其中量子阱In_yGa_1-yN层的厚度为2-5nm，y＝0.1-0.3，生长温度为700-800℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000；其中GaN垒层的厚度为8-15nm，生长温度为800-950℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000，Si组分摩尔配比为0.5％-3％。

以上技术方案中优选的，生长P型AlGaN层具体为：多周期量子阱发光层生长结束后，生长厚度为50-200nm的P型AlGaN层，所用MO源为TMAl、TMGa及Cp₂Mg；生长温度为900-1100℃，生长时间为3-10min，压力在20-200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1000-20000，Al的摩尔组分为10％-30％，Mg的摩尔组分为0.05％-0.3％。

以上技术方案中优选的，生长P型GaN接触层具体为：GaN:Mg层组生长结束后，生长厚度为5-20nm的P型GaN接触层，所用MO源为TMGa和Cp₂Mg；生长温度为850-1050℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1000-5000；

降温退火处理具体为：外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，然后降至室温，结束生长。

本发明还提供一种采用上述方法制得的可提高光效的LED外延片，包括从下往上依次层叠的蓝宝石衬底、低温GaN成核层、高温GaN缓冲层、非掺杂的U型GaN层、N型GaN层、多周期量子阱发光层、P型AlGaN层、GaN:Mg层组以及P型GaN接触层；

所述GaN:Mg层组的厚度为50-800nm，其包括1-80个GaN:Mg单层；所述GaN:Mg单层包括第一GaN:Mg层和第二GaN:Mg层。

以上技术方案中优选的，所述低温GaN成核层的厚度为20-40nm；

所述高温GaN缓冲层的厚度为0.2-1um；

所述非掺杂的U型GaN层的厚度为1-3um；

所述N型GaN层的厚度为2-4um；

所述多周期量子阱发光层为由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒组成的结构，单个In_yGa_1-yN/GaN阱垒包括厚度为2-5nm的In_yGa_1-yN层和厚度为8-15nm的GaN垒层，其中y＝0.1-0.3；

所述P型AlGaN层的厚度为50-200nm；

所述P型GaN接触层的厚度为5-20nm。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1、整个工艺流程精简，工艺参数容易控制，适合工业化生产。

2、本发明将传统的P型GaN层设计为GaN:Mg层组，GaN:Mg层组包括高低温生长的交替层结构(具体是：GaN:Mg层组包括1-80个GaN:Mg单层，所述GaN:Mg单层包括低温条件下生长的第一GaN:Mg层和高温条件下生长的第二GaN:Mg层)，通过低温生长，提高Mg浓度，提供较多空穴，又通过高温生长，提高材料结晶质量，提高空穴迁移率，通过交替周期生长，最终提高量子阱区域的空穴注入水平，增加了空穴与电子的复合效率，降低了LED芯片的工作电压，提高了LED芯片的发光效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图，其中：

图1为现有技术中的LED外延片的结构示意图；

图2为本发明实施例1中可提高光效的LED外延片的结构示意图；

图3为样品1和样品2的亮度对比图；

图4为样品1和样品2的电压对比图；

图中：1、蓝宝石衬底，2、低温GaN成核层，3、高温GaN缓冲层，4、非掺杂的U型GaN层，5、N型GaN层，6、多周期量子阱发光层，7、P型AlGaN层，8、高温P型GaN层，8’、GaN:Mg层组，8.1’、GaN:Mg单层，9、P型GaN接触层。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

请参阅图2，本技术方案运用维易科(VEECO)MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H₂、高纯N₂或高纯H₂和高纯N₂(纯度≥99.999％)的混合气体作为载气，高纯NH₃(纯度≥99.999％)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH₄)，P型掺杂剂为二茂镁(Cp₂Mg)，衬底为蓝宝石衬底，反应压力在100Torr到1000Torr之间。

可提高光效的LED外延片包括从下往上依次层叠的蓝宝石衬底1、低温GaN成核层2、高温GaN缓冲层3、非掺杂的U型GaN层4、N型GaN层5、多周期量子阱发光层6、P型AlGaN层7、GaN:Mg层组8’以及P型GaN接触层9，所述GaN:Mg层组8’的厚度为50-800nm，其包括1-80个GaN:Mg单层8.1’；所述GaN:Mg单层8.1’包括第一GaN:Mg层和第二GaN:Mg层。

所述低温GaN成核层2的厚度为20-40nm；所述高温GaN缓冲层3的厚度为0.2-1um；所述非掺杂的U型GaN层4的厚度为1-3um；所述N型GaN层5的厚度为2-4um；所述多周期量子阱发光层6为由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒组成的结构，单个In_yGa_1-yN/GaN阱垒包括厚度为2-5nm的In_yGa_1-yN层和厚度为8-15nm的GaN垒层，其中y＝0.1-0.3；所述P型AlGaN层7的厚度为50-200nm；所述P型GaN接触层9的厚度为5-20nm。

其生长方法具体包括以下步骤：

步骤一、蓝宝石衬底1退火处理，具体为：将蓝宝石衬底1在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050-1150℃；

步骤二、生长低温GaN成核层2，具体为：将温度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层2，生长压力为400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500-3000；

步骤三、生长高温GaN缓冲层3，具体为：低温GaN成核层2生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000-1100℃，退火时间为5-10min；退火之后，将温度调节至900-1050℃，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2-1um的高温GaN缓冲层3，生长压力为400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500-3000；

步骤四、生长非掺杂的U型GaN层4，具体为：高温GaN缓冲层3生长结束后，通入NH₃和TMGa生长厚度为1-3um的非掺杂的U型GaN层4，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-3000。

步骤五、生长N型GaN层5，具体为：非掺杂的U型GaN层4生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长厚度为2-4um的N型GaN层5，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-3000，Si掺杂浓度为8E18-2E19atom/cm³；

步骤六、生长多周期量子阱发光层6，具体为：N型GaN层5生长完成后生长多周期量子阱发光层6，所用MO源为TMIn、TEGa，N型掺杂剂为硅烷；多周期量子阱发光层6由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒结构组成，其中量子阱In_yGa_1-yN层的厚度为2-5nm，y＝0.1-0.3，生长温度为700-800℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000；其中GaN垒层的厚度为8-15nm，生长温度为800-950℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300-5000，Si组分摩尔配比为0.5％-3％。

步骤七、生长P型AlGaN层7，具体为：多周期量子阱发光层6生长结束后，生长厚度为50-200nm的P型AlGaN层7，所用MO源为TMAl、TMGa及Cp₂Mg；生长温度为900-1100℃，生长时间为3-10min，压力在20-200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1000-20000，Al的摩尔组分为10％-30％，Mg的摩尔组分为0.05％-0.3％。

步骤八、生长GaN:Mg层组8’，具体是：生长1-80个周期的GaN:Mg单层8.1’；所述GaN:Mg单层8.1’的生长过程具体是：控制温度为750℃-850℃，通入TMGa和Cp₂Mg，生长厚度为5-50nm的第一GaN:Mg层；升温至850℃-1000℃，生长厚度为5-50nm的第二GaN:Mg层；

步骤九、生长P型GaN接触层9具体为：GaN:Mg层组8’生长结束后，生长厚度为5-20nm的P型GaN接触层9，所用MO源为TMGa和Cp₂Mg；生长温度为850-1050℃，生长压力为100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1000-5000；

步骤十、降温退火处理，具体为：外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，然后降至室温，结束生长。

本发明的核心在于步骤八，将传统的P型GaN层设计为GaN:Mg层组8’(即采用低温生长第一GaN:Mg层和高温生长第二GaN:Mg层的结合，形成高低温生长的交替层结构)，通过低温生长，提高Mg浓度，提供较多空穴，又通过高温生长，提高材料结晶质量，提高空穴迁移率，通过交替周期生长，从而提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。

将采用现有技术(背景技术内所描述的方法)制得的产品标注为样品1，将本实施例制得的产品标注为样品2，两组方法的不同仅在于表格1中所列参数，详见表1：

表1样品1和样品2生长过程中的参数对照表

将样品1和样品2在相同的工艺条件下镀ITO层150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极70nm，相同的条件下镀二氧化硅保护层30nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm×762μm(30mil×30mil)的芯片颗粒，随后在相同的位置挑选样品1和样品2各150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED，最后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能，详情如图3和图4。

从图3数据可见，样品2与样品1相比，亮度从500mw左右增加至520mw以上；从图4数据可见，样品2与样品1相比，驱动电压从3.32V降低至3.17v左右，由此可见，本技术方案提供的生长方法提高了大尺寸芯片的亮度，且同时降低了驱动电压。

实施例2-实施例4

实施例2-实施例4与实施例1不同之处仅在于：GaN:Mg层组8’包含的GaN:Mg单层8.1’的数量不同，具体是：实施例2中GaN:Mg层组8’包含1个GaN:Mg单层8.1’；实施例3中GaN:Mg层组8’包含40个GaN:Mg单层8.1’；实施例4中GaN:Mg层组8’包含80个GaN:Mg单层8.1’。

实施例2-实施例4所得产品依次标记为样品3-5，详情如下：

样品3与样品1比较：亮度从500mw左右增加至505mw以上，驱动电压从3.32V降低至3.22v左右；

样品4与样品1比较：亮度从500mw左右增加至522mw以上，驱动电压从3.32V降低至3.10v左右；

样品5与样品1比较：亮度从500mw左右增加至521mw以上，驱动电压从3.32V降低至3.12v左右。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。