减少外延层位错密度的LED生长方法与流程

本申请涉及LED外延设计应用技术领域，具体地说，涉及一种减少外延层位错密度的LED生长方法。

背景技术：

目前LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固体照明，体积小、耗电量低使用寿命长高亮度、环保、坚固耐用等优点受到广大消费者认可，国内生产LED的规模也在逐步扩大；市场上对LED产品性能的需求与日俱增，如何生长更质量好的外延片一直是LED行业的焦点问题，因为外延层晶体质量的提高，LED器件的性能可以等到提升，LED的寿命、抗老化能力、抗静电能力、稳定性会随着外延层晶体质量的提升而提升。

传统的外延技术中在蓝宝石Al₂O₃基板上生长GaN材料，因为Al₂O₃材料和GaN材料存在着约13％的晶格失配，带来的影响是GaN材料位错密度高达109根/cm²，目前控制位错密度的主要方法是低温生长一层薄GaN作缓冲层，然后在此基础上进行GaN的3D生长和2D生长，最后形成比较平整GaN层。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种减少外延层位错密度的LED生长方法，采用优先生长AlN然后生长InMgN材料的两步生长法取代原来低温GaN、3D GaN、2D GaN的三步生长技术，目的是通过采用新材料新工艺减少外延层位错密度，提高外延层晶体质量，提升LED器件的亮度、电压、漏电、抗静电等光电性能参数。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

一种减少外延层位错密度的LED生长方法，其特征在于，依次包括：溅射A1N薄膜、生长InMgN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长MQW发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、降温冷却，

所述溅射A1N薄膜，具体为：

利用型号为iTop A230的直流磁控反应溅射设备将蓝宝石衬底温度加热到600℃-900℃，通入50sccm-70sccm的Ar、80sccm-100sccm的N₂和2sccm-3sccm的O₂，用2000V-3000V的偏高压冲击铝靶，在蓝宝石衬底表面上溅射厚度为50nm-60nm的A1N薄膜；

所述生长InMgN层，具体为：

将溅射好A1N薄膜的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，升高温度至700℃-800℃，将反应腔的压力维持在300mbar-400mbar，通入100L/min-130L/min的H₂、100L/min-120L/min的NH₃、400sccm-600sccm的TMIn、1000sccm-3000sccm的Cp₂Mg，持续生长厚度为5μm-7μm的InMgN层。

优选地，其中：

所述生长掺杂Si的N型GaN层，具体为：

升高温度到1000℃-1100℃，将反应腔压力维持在150mbar-300mbar，通入50L/min-90L/min的H₂、40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa源、20sccm-50sccm的SiH₄源，持续生长厚度为2μm-4μm的掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长MQW发光层，具体为：

保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa源、1000sccm-2000sccm的TMIn源，生长掺杂In的厚度为3nm-4nm的In_xGa_(1-x)N层，x＝0.15-0.25，In掺杂浓度为1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³；

接着升高温度至800℃-850℃，通入流量为50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa源，生长厚度为10nm-15nm的GaN层；

重复In_xGa_(1-x)N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长In_xGa_(1-x)N/GaN发光层，控制周期数为10-15个。

优选地，其中：

所述生长P型AlGaN层，具体为：

升高温度到850℃-950℃，保持反应腔压力200mbar-400mbar，通入50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa源，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长P型GaN层，具体为：

升高温度到950℃-1000℃，保持反应腔压力200mbar-600mbar，通入50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa，持续生长厚度为100nm-300nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

优选地，其中：

所述降温冷却，具体为：

降温至700℃-800℃，单独通入100L/min-150L/min的N₂，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

与现有技术相比，本申请所述的方法，达到了如下效果：

本发明减少外延层位错密度的LED生长方法，与传统方法相比，采用新的AlN、InMgN材料取代原来的低温GaN、2D GaN、3D GaN材料，获得一种新的材料以及生长工艺，因为AlN和蓝宝石基板Al₂O₃的失配度约2％，GaN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配14％，利用AlN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配小的优点，InMgN材料和AlN、GaN晶格失配小的优点，通过减少晶格失配产生的位错，降低外延层位错密度，提高外延层晶体质量，从而使得LED产品质量得到提升。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明减少外延层位错密度的LED生长方法的流程图；

图2为本发明中LED外延层的结构示意图；

图3为对比实施例中LED外延层的结构示意图；

其中，1、基板，2、A1N层，3、InMgN层，4、高温N型GaN层，5、发光层，5.1、In_xGa_(1-x)N层，5.2、GaN层，6、P型AlGaN层，7、P型GaN层，8、低温缓冲层GaN，9、3D GaN，10、2D GaN。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

实施例1

本发明运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H₂或高纯N₂或高纯H₂和高纯N₂的混合气体作为载气，高纯NH₃作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH₄)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP₂Mg)，衬底为(001)面蓝宝石，反应压力在100mbar到800mbar之间。具体生长方式如下：

一种减少外延层位错密度的LED生长方法，其特征在于，依次包括：溅射A1N薄膜、生长InMgN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长MQW发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、降温冷却，

所述溅射A1N薄膜，具体为：

利用型号为iTop A230的直流磁控反应溅射设备将蓝宝石衬底温度加热到600℃-900℃，通入50sccm-70sccm的Ar、80sccm-100sccm的N₂和2sccm-3sccm的O₂，用2000V-3000V的偏高压冲击铝靶，在蓝宝石衬底表面上溅射厚度为50nm-60nm的A1N薄膜；

所述生长InMgN层，具体为：

将溅射好A1N薄膜的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，升高温度至700℃-800℃，将反应腔的压力维持在300mbar-400mbar，通入100L/min-130L/min的H₂、100L/min-120L/min的NH₃、400sccm-600sccm的TMIn、1000sccm-3000sccm的Cp₂Mg，持续生长厚度为5μm-7μm的InMgN层。

本发明减少外延层位错密度的LED生长方法，与传统方法相比，通过在蓝宝石衬底上溅射A1N薄膜、并在溅射有A1N薄膜的蓝宝石衬底上生长InMgN层，采用新的A1N薄膜和InMgN材料取代传统的低温GaN、2D GaN和3D GaN材料，获得一种新的材料以及生长工艺。因为AlN和蓝宝石基板Al₂O₃的失配度约2％，GaN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配14％，利用AlN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配小的优点，InMgN材料和AlN、GaN晶格失配小的优点，通过减少晶格失配产生的位错，降低外延层位错密度，提高外延层晶体质量，从而使得LED产品质量得到提升。

实施例2

以下提供本发明的减少外延层位错密度的LED生长方法的应用实施例，其外延结构参见图2，生长方法参见图1。运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H₂或高纯N₂或高纯H₂和高纯N₂的混合气体作为载气，高纯NH₃作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH₄)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP₂Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100mbar到800mbar之间。具体生长方式如下：

步骤101、溅射A1N薄膜：

利用型号为iTop A230的直流磁控反应溅射设备将蓝宝石衬底温度加热到600℃-900℃左右，例如650℃，通入50sccm-70sccm的Ar、80sccm-100sccm的N₂和2sccm-3sccm的O₂，用2000V-3000V的偏高压冲击铝靶，在蓝宝石衬底表面上溅射厚度为50nm-60nm的A1N薄膜。

步骤102、生长InMgN层：

将溅射好A1N薄膜的蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，升高温度至700℃-800℃，将反应腔的压力维持在300mbar-400mbar，通入100L/min-130L/min的H₂、100L/min-120L/min的NH₃、400sccm-600sccm的TMIn、1000sccm-3000sccm的Cp₂Mg，持续生长厚度为5μm-7μm的InMgN层。

步骤103、生长掺杂Si的N型GaN层：

升高温度到1000℃-1100℃，将反应腔压力维持在150mbar-300mbar，通入50L/min-90L/min的H₂、40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa源、20sccm-50sccm的SiH₄源，持续生长厚度为2μm-4μm的掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

步骤104、生长MQW发光层：

保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa源、1000sccm-2000sccm的TMIn源，生长掺杂In的厚度为3nm-4nm的In_xGa_(1-x)N层，x＝0.15-0.25，In掺杂浓度为1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³；

接着升高温度至800℃-850℃，通入流量为50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、10sccm-50sccm的TMGa源，生长厚度为10nm-15nm的GaN层；

重复In_xGa_(1-x)N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长In_xGa_(1-x)N/GaN发光层，控制周期数为10-15个。

本申请中，3E20代表3乘以10的20次方，也就是3*10²⁰，以此类推，atoms/cm³为掺杂浓度单位，下同。

步骤105、生长P型AlGaN层：

升高温度到850℃-950℃，保持反应腔压力200mbar-400mbar，通入50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa源，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

步骤106、生长P型GaN层：

升高温度到950℃-1000℃，保持反应腔压力200mbar-600mbar，通入50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa，持续生长厚度为100nm-300nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

步骤107、降温冷却：

降温至700℃-800℃，单独通入100L/min-150L/min的N₂，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

本申请减少外延层位错密度的LED生长方法中，通过步骤101，在蓝宝石衬底表面上溅射一层A1N薄膜，再通过步骤102，在溅射好A1N薄膜的蓝宝石衬底上生长一层InMgN层，利用新的A1N薄膜和InMgN层取代传统方法中的GaN、2D GaN和3D GaN。由于AlN和蓝宝石基板Al₂O₃的失配度约2％，GaN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配14％，本申请利用AlN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配小的优点，InMgN材料和AlN、GaN晶格失配小的优点，通过减少晶格失配产生的位错，降低外延层位错密度，从而使得LED产品质量得到提升。

实施例3

以下提供一种常规LED生长方法作为本发明的对比实施例。

常规LED外延的生长方法为(外延层结构参见图3)：

1、在900℃-1100℃的H₂气氛下，通入50L/min-100L/min的H₂，保持反应腔压力100mbar-200mbar，高温处理蓝宝石衬底5min-10min。

2、降低温度至500℃-650℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入50L/min-90L/min的H₂、40L/min-60L/min NH₃、50sccm-100sccm的TMGa源，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm-60nm的低温缓冲层GaN。

3、升高温度到850℃-1000℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入50L/min-90L/min的H₂、40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa，持续生长1μm-2μm的3D GaN层。

4、升高温度到1000℃-1100℃，反应腔压力维持在300mbar-600mbar，通入50L/min-90L/min的H₂、40L/min-60L/min的NH₃、300sccm-400sccm的TMGa源，持续生长2μm-3μm的2D GaN层。

5、保持温度为1000℃-1100℃，反应腔压力维持在150mbar-300mbar，，通入50L/min-90L/min的H₂、40L/min-60L/min的NH₃、200sccm-300sccm的TMGa源、20sccm-50sccm的SiH₄，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³，总厚度控制在2μm-4μm。

6、周期性生长MQW发光层，反应腔压力维持在300mbar-400mbar，温度控制在700℃-750℃，通入50L/min-90L/min的氮气、40L/min-60L/min的氨气、10sccm-50sccm的TMGa源、1000sccm-2000sccm的TMIn源，生长掺杂In的3nm-4nm In_xGa_(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In掺杂浓度1E+20atoms/cm³-3E+20atoms/cm³，然后升温到800℃-850℃，通入50L/min-90L/min的氮气、40L/min-60L/min的氨气、10sccm-50sccm的TMGa源，生长10nm-15nm的GaN层，接着In_xGa_(1-x)N和GaN按照此方法交替生长，周期数为10-15。

7、升高温度到850℃-950℃，保持反应腔压力200mbar-400mbar，通入50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa源，持续生长厚度为50nm-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20atoms/cm³-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

8、再升高温度至950℃-1000℃，保持反应腔压力200mbar-600mbar，通入50L/min-90L/min的N₂、40L/min-60L/min的NH₃、50sccm-100sccm的TMGa源，持续生长100nm-300nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

9、降温至700℃-800℃，单独通入100L/min-150L/min的N₂，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

在同一机台上，根据常规的LED的生长方法(对比实施例的方法)制备4片样品1，根据本专利描述的方法制备4片样品2。生长完成后取出在相同条件下测试外延片XRD102面(请参考表1)。

样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层约1500埃，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约2500埃，相同的条件下镀保护层SiO₂约500埃，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，然后样品1和样品2在相同位置各自挑选100颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED，并进行下列测试：

(1)光电性能测试：在同一台LED点测机上，在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能。

(2)抗静电能力：在同一台LED点测机上，对样品分别采用2KV、4KV、6KV、8KV脉冲进行抗静电测试，参见表2和表3。

表1为样品1和样品2XRD测试数据，表2为样品1和样品2的LED测试机光电测试数据，表3为样品2和样品2的LED测试机抗静电良率测试数据。

表1样品1和样品2外延XRD测试数据

表2样品1和样品2LED测试机光电测试数据

表3样品1和样品2LED测试机抗静电良率测试数据

通过对表1、表2和表3的分析，可得出以下结论：

(1)表1显示采用本申请方法制作的样品XRD102面数值变小，表征采用本申请方法制作的样品外延层晶体质量比较优，明显变好。

(2)表2显示采用本申请技术制作的样品LED光电性能更好，亮度高、电压低、漏电小，这得益于本专利技术减少外延层位错，提高了外延晶体质量。

(3)表3显示采用本专利申请技术制作的样品LED抗静电能力较好，随着电压的增加，抗静电能力虽有下降但幅度变小，证明采用本专利申请技术制作的样品抗静电能力有提升。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

本发明减少外延层位错密度的LED生长方法，与传统方法相比，通过在蓝宝石衬底上溅射A1N薄膜、并在溅射有A1N薄膜的蓝宝石衬底上生长InMgN层，采用新的A1N薄膜和InMgN材料取代传统的低温GaN、2D GaN和3D GaN材料，获得一种新的材料以及生长工艺。因为AlN和蓝宝石基板Al₂O₃的失配度约2％，GaN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配14％，利用AlN和蓝宝石基板Al₂O₃晶格失配小的优点，InMgN材料和AlN、GaN晶格失配小的优点，通过减少晶格失配产生的位错，降低外延层位错密度，进而提升LED产品质量。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。