一种匹配AZO薄膜的LED外延生长方法与流程

本申请涉及LED外延设计应用技术领域，具体地说，涉及一种匹配AZO薄膜的LED外延生长方法。

背景技术：

随着半导体、计算机、太阳能等产业的发展,一种新的功能材料———透明导电氧化物薄膜(transparent conduct ing oxide,简称TCO薄膜)随之产生、发展起来。这类薄膜具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等光电特性,在半导体光电器件领域、太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口涂层等方面具有广阔的应用前景。其中制备技术最成熟、应用最广泛的当属In₂O₃基(In₂O₃∶Sn,简称ITO)薄膜。但是,由于ITO薄膜中In₂O₃价格昂贵,从而导致生产成本很高；而且,In材料有毒,在制备和应用过程中对人体有害；另外,Sn和In的原子量较大,成膜过程中容易渗入到衬底内部,毒化衬底材料,尤其在液晶显示器件中污染现象严重。而ZnO∶Al(简称AZO)透明导电薄膜中的Zn源价格便宜、来源丰富、无毒,并且在氢等离子体中稳定性要优于ITO薄膜,同时具有可与ITO薄膜相比拟的光电特性。所以,AZO薄膜取代ITO薄膜在发展上具有一定的优越性。

目前市场上应用在LED芯片上用作电流扩展层的是ITO(In₂O₃∶Sn)透明导电薄膜，所以相应的LED外延接触层主要设计用于匹配ITO材料，一般用GaN材料。而如果在芯片上面应用AZO透明导电薄膜做扩展层，为降低接触电阻，外延接触层急需改变。

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匹配AZO薄膜的LED外延生长方法，将LED外延最后的接触层设计为In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si结构，有效降低了接触电阻，从而有利于降低LED芯片的工作电压。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

一种匹配AZO薄膜的LED外延生长方法，其特征在于，依次包括：处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长非掺杂u-GaN层、生长掺杂浓度稳定的n-GaN层、生长多量子阱发光层、生长p型AlGaN层、生长高温p型GaN层、生长In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层、降温冷却，其中：

所述生长In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层，进一步为：

控制生长温度为850℃-1050℃，生长压力为100Torr-500Torr，通入300sccm-700sccm的TEGa、900sccm-1300sccm的TMIn、1000sccm-1500sccm DMZn及30000sccm-60000sccm的NH₃，先生长厚度为1nm-20nm的掺杂Zn的In_xGa_1-xN层，X＝0-1，其中，Zn掺杂浓度为1E17atoms/cm³-1E20atoms/cm³，In在In、Ga、N、Zn四种原子中所占的摩尔组分控制为3-30％，形成In_xGa_1-xN:Zn层；

在生长完In_xGa_1-xN:Zn层后，保持生长温度和生长压力不变，继续通入300sccm-700sccm的TEGa、900sccm-1300sccm的TMIn、30000sccm-60000sccm的NH₃及800sccm-1300sccm SiH₄，接着生长厚度为1nm-10nm的掺杂Si的In_xGa_1-xN层，X＝0-1，其中，Si的掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，In在In、Ga、N、Si四种原子中所占的摩尔组分控制为3-30％，形成In_xGa_1-xN:Si层。

优选地，其中：

所述处理衬底，进一步为：在1050℃-1150℃的H₂气氛下，将蓝宝石进行退火处理并清洁衬底表面。

优选地，其中：

所述生长低温GaN成核层，进一步为：

降温至500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反应腔压力400mbar-650mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层。

优选地，其中：

所述生长高温GaN缓冲层，进一步为：

在低温GaN成核层，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5min-10min；

退火完成之后，将温度调节至900℃-1050℃，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温GaN缓冲层，生长压力为400Torr-650Torr。

优选地，其中：

所述生长非掺杂u-GaN层，进一步为：

在高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH₃和TMGa，升高温度到1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，持续生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层。

优选地，其中：

所述生长掺杂浓度稳定的n-GaN层，进一步为：

在非掺杂u-GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，生长厚度为2μm-4μm，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长多量子阱发光层，进一步为：

在掺杂浓度稳定的n-GaN层生长结束后，降低温度至700℃-800℃，保持反应腔压力100mbar-500mbar，生长厚度为2nm-5nm的In_yGa_(1-y)N阱层，y＝0.1-0.3，

升高温度达到800℃-950℃，生长压力为100mbar-500mbar，生长厚度为8nm-15nm的GaN磊层，在GaN磊层掺杂Si，Si掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³；

交替生长所述In_yGa_(1-y)N阱层和所述GaN磊层，生长周期为5-15，形成In_yGa_(1-y)N/GaN发光层，

生长过程中所用的MO源为TEGa、TMIn及SiH₄。

优选地，其中：

所述生长p型AlGaN层，进一步为：

在多量子阱发光层生长完成后，保持反应腔压力20Torr-200Torr、升高温度至900℃-1100℃，持续生长掺杂Al和Mg的厚度为50nm-200nm的p型AlGaN层，其中：

Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³，

生长过程中通入的MO源为TMAl、TMGa和CP₂Mg。

优选地，其中：

所述生长高温p型GaN层，进一步为：

p型AlGaN层生长完成后，保持反应腔压力100Torr-500Torr、温度850℃-1000℃，持续生长厚度为100nm-800nm的掺Mg的高温p型GaN层，其中：

Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³，通入的MO源为TMGa和CP₂Mg。

优选地，其中：

所述降温冷却，进一步为：将反应腔降温至650℃-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min-10min，然后将至室温，结束生长。

与现有技术相比，本申请所述的方法，达到了如下效果：

本发明匹配AZO薄膜的LED外延生长方法中，在高温p型GaN层生长完成之后，生长一层In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层来取代原来的Mg:GaN接触层，通过In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si材料,来调整与AZO薄膜材料的势垒高度差，同时重掺杂能让半导体耗尽区变窄，使载流子有更多机会隧穿，以匹配ZnO∶Al(AZO)透明导电薄膜电流扩展层，来降低接触电阻，从而降低LED芯片的工作电压。

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为本发明实施例1和实施例2中LED外延层的结构示意图；

图2为对比实施例1中LED外延层的结构示意图；

图3为采用本发明的方法和传统方法制得的30mil*30mil芯片的电压分布对比图；

图4为采用本发明的方法和传统方法制得的30mil*30mil芯片的亮度分布对比图；

其中，1-衬底，2-缓冲层GaN(包括低温GaN成核层和高温GaN缓冲层)，3-非掺杂u-GaN层，4-n-GaN层，5-多量子阱发光层，6-p型AlGaN层，7-高温p型GaN层，8-In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层，9-Mg:GaN接触层。

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，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。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VEECO 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)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，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100Torr到1000Torr之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图1)：

本发明提供一种匹配AZO薄膜电流扩展层的LED外延接触层生长方法，依次包括：步骤101、处理衬底；步骤102、生长低温GaN成核层；步骤103、生长高温GaN缓冲层；步骤104、生长非掺杂u-GaN层；步骤105、生长掺杂浓度稳定的n-GaN层；步骤106、生长多量子阱发光层；步骤107、生长p型AlGaN层；步骤108、生长高温p型GaN层；步骤109、生长In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层；步骤110、降温冷却，其中：

所述生长In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层，进一步为：

控制生长温度为850℃-1050℃，生长压力为100Torr-500Torr，通入300sccm-700sccm的TEGa、900sccm-1300sccm的TMIn、1000sccm-1500sccm DMZn及30000sccm-60000sccm的NH₃，先生长厚度为1nm-20nm的掺杂Zn的In_xGa_1-xN层，X＝0-1，其中，Zn掺杂浓度为1E17atoms/cm³-1E20atoms/cm³，In在In、Ga、N、Zn四种原子中所占的摩尔组分控制为3-30％，形成In_xGa_1-xN:Zn层；

在生长完In_xGa_1-xN:Zn层后，保持生长温度和生长压力不变，继续通入300sccm-700sccm的TEGa、900sccm-1300sccm的TMIn、30000sccm-60000sccm的NH₃及800sccm-1300sccm SiH₄，接着生长厚度为1nm-10nm的掺杂Si的In_xGa_1-xN层，X＝0-1，其中，Si的掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，In在In、Ga、N、Si四种原子中所占的摩尔组分控制为3-30％，形成In_xGa_1-xN:Si层。

本发明所提供的上述匹配AZO薄膜的LED外延生长方法中，在高温p型GaN层生长完成之后，在步骤109中生长一层In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层来取代原来的Mg:GaN接触层，通过In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si材料,来调整与AZO薄膜材料的势垒高度差，同时重掺杂能让半导体耗尽区变窄，使载流子有更多机会隧穿，以匹配ZnO∶Al(AZO)透明导电薄膜电流扩展层，来降低接触电阻，从而降低LED芯片的工作电压。

实施例2

本发明运用VEECO 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)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，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100Torr到1000Torr之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图1)：

1、处理衬底，具体为：

在1050℃-1150℃的H₂气氛下，将蓝宝石进行退火处理并清洁衬底表面。

2、生长低温GaN成核层，具体为：

降温至500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反应腔压力400mbar-650mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层。

3、生长高温GaN缓冲层，具体为：

在低温GaN成核层，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5min-10min；

退火完成之后，将温度调节至900℃-1050℃，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温GaN缓冲层，生长压力为400Torr-650Torr。

4、生长非掺杂u-GaN层，具体为：

在高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH₃和TMGa，升高温度到1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，持续生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层。

5、生长掺杂浓度稳定的n-GaN层，具体为：

在非掺杂u-GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，生长厚度为2μm-4μm，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

6、生长多量子阱发光层，具体为：

在掺杂浓度稳定的n-GaN层生长结束后，降低温度至700℃-800℃，保持反应腔压力100mbar-500mbar，生长厚度为2nm-5nm的In_yGa_(1-y)N阱层，y＝0.1-0.3，

升高温度达到800℃-950℃，生长压力为100mbar-500mbar，生长厚度为8nm-15nm的GaN磊层，在GaN磊层掺杂Si，Si掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³；

交替生长所述In_yGa_(1-y)N阱层和所述GaN磊层，生长周期为5-15，形成In_yGa_(1-y)N/GaN发光层，

生长过程中所用的MO源为TEGa、TMIn及SiH₄。

7、生长p型AlGaN层，具体为：

在多量子阱发光层生长完成后，保持反应腔压力20Torr-200Torr、升高温度至900℃-1100℃，持续生长掺杂Al和Mg的厚度为50nm-200nm的p型AlGaN层，其中：

Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³，

生长过程中通入的MO源为TMAl、TMGa和CP₂Mg。

8、生长高温p型GaN层，具体为：

p型AlGaN层生长完成后，保持反应腔压力100Torr-500Torr、温度850℃-1000℃，持续生长厚度为100nm-800nm的掺Mg的高温p型GaN层，其中：

Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³，通入的MO源为TMGa和CP₂Mg。

9、生长In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层，具体为：

控制生长温度为850℃-1050℃，生长压力为100Torr-500Torr，通入300sccm-700sccm的TEGa、900sccm-1300sccm的TMIn、1000sccm-1500sccm DMZn及30000sccm-60000sccm的NH₃，先生长厚度为1nm-20nm的掺杂Zn的In_xGa_1-xN层，X＝0-1，其中，Zn掺杂浓度为1E17atoms/cm³-1E20atoms/cm³，In在In、Ga、N、Zn四种原子中所占的摩尔组分控制为3-30％，形成In_xGa_1-xN:Zn层；

在生长完In_xGa_1-xN:Zn层后，保持生长温度和生长压力不变，继续通入300sccm-700sccm的TEGa、900sccm-1300sccm的TMIn、30000sccm-60000sccm的NH₃及800sccm-1300sccm SiH₄，接着生长厚度为1nm-10nm的掺杂Si的In_xGa_1-xN层，X＝0-1，其中，Si的掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，In在In、Ga、N、Si四种原子中所占的摩尔组分控制为3-30％，形成In_xGa_1-xN:Si层。

10、降温冷却，具体为：

将反应腔降温至650℃-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min-10min，然后将至室温，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。

本申请的发明重点在于上述第9步的生长，在高温p型GaN层生长完之后，生长一层In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层来取代原来的Mg:GaN接触层，通过In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si材料,来调整与AZO薄膜材料的势垒高度差，同时重掺杂能让半导体耗尽区变窄，使载流子有更多机会隧穿，以匹配ZnO∶Al(AZO)透明导电薄膜电流扩展层，来降低接触电阻，从而降低LED芯片的工作电压。

实施例3

以下提供对比实施例1，即传统LED外延层的生长方法。

传统LED外延层的生长方法为(外延层结构参见图2)：

1、在1050℃-1150℃的H₂气氛下，将蓝宝石进行退火处理并清洁衬底表面。

2、降温至500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反应腔压力400mbar-650mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层。

3、在低温GaN成核层，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5min-10min；退火完成之后，将温度调节至900℃-1050℃，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温GaN缓冲层，生长压力为400Torr-650Torr。

4、在高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH₃和TMGa，升高温度到1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，持续生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层。

5、在非掺杂u-GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，生长厚度为2μm-4μm，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

6、在掺杂浓度稳定的n-GaN层生长结束后，降低温度至700℃-800℃，保持反应腔压力100mbar-500mbar，生长厚度为2nm-5nm的In_yGa_(1-y)N阱层，y＝0.1-0.3，

升高温度达到800℃-950℃，生长压力为100mbar-500mbar，生长厚度为8nm-15nm的GaN磊层，在GaN磊层掺杂Si，Si掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³；

交替生长所述In_yGa_(1-y)N阱层和所述GaN磊层，生长周期为5-15，形成In_yGa_(1-y)N/GaN发光层，

生长过程中所用的MO源为TEGa、TMIn及SiH₄。

7、然后降温至900℃-950℃，保持反应腔压力200mbar-300mbar，生长厚度为50nm-200nm的掺Mg的高温P型GaN层，Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm³-3E19atoms/cm³。

8、在多量子阱发光层生长完成后，保持反应腔压力20Torr-200Torr、升高温度至900℃-1100℃，持续生长掺杂Al和Mg的厚度为50nm-200nm的p型AlGaN层，其中：Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³，生长过程中通入的MO源为TMAl、TMGa和CP₂Mg。

9、p型AlGaN层生长完成后，保持反应腔压力100Torr-500Torr、温度850℃-1050℃，持续生长厚度为5nm-20nm的掺Mg的高温p型GaN接触层，其中：Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，通入的MO源为TMGa和CP₂Mg。

10、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5min-10min，然后将至室温，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。

根据传统的LED的生长方法(实施例3的方法)制备样品1，根据本专利描述的方法制备样品2、样品3；样品1和样品2、样品3外延生长方法参数不同点在于生长接触层的生长方式不一样，其它外延层生长条件完全一样，请参考表1。样品1和样品2、样品3在相同的前工艺条件下镀ZnO∶Al(AZO)透明导电薄膜来做电流扩展层，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm(30mi*30mil)的芯片颗粒，然后样品1和样品2、样品3在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2、样品3的光电性能，得到的参数参见图3和图4。

表1样品1、2产品生长参数比较

表1中，样品1采用传统生长方式，生长的接触层为Mg:GaN结构；样品2和样品3采用本发明的生长方式，生长的接触层为In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si结构。

结合表1、图3-图4的数据可得出以下结论：

从图3数据得出，样品2较样品1驱动电压从3.4-3.45v降低至3.25-3.3v左右，样品3较样品1驱动电压从3.4-3.45V降低至3.2-3.25v左右。从图4数据得出，样品1和样品2、样品3的亮度相差不多，都在530mw附近。

因此，本专利提供的生长方法能降低LED的驱动电压。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

本发明匹配AZO薄膜的LED外延生长方法中，在高温p型GaN层生长完成之后，生长一层In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si接触层来取代原来的Mg:GaN接触层，通过In_xGa_1-xN:Zn/In_xGa_1-xN:Si材料,来调整与AZO薄膜材料的势垒高度差，同时重掺杂能让半导体耗尽区变窄，使载流子有更多机会隧穿，以匹配ZnO∶Al(AZO)透明导电薄膜电流扩展层，来降低接触电阻，从而降低LED芯片的工作电压。

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。