一种LED外延层生长方法与流程

本申请涉及LED设计应用技术领域，具体地说，涉及一种LED外延层生长方法。

背景技术：

目前LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固体照明设备，因体积小、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亮度和光效的需求与日俱增，如何生长更好的外延片日益受到重视，因为外延层晶体质量的提高，LED器件的性能可以得到提升，LED的发光效率、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LED结构中N电极、P电极不对称，电流从P电极导向N电极，电流选择电阻值最低的路径传导，造成电流拥挤在靠近N电极的一侧。传统的LED结构，电流在外延层中传导是不均匀的，这就造成了LED内部电流拥挤，发光层电流分散不均匀，发光区域不均匀，发光效率受到影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供了一种LED外延层生长方法，引入SiInN/InAlN超晶格电流扩展层，使得电子从N电极传播经过N层后被电流扩展层扩展开来，然后传导至发光层和空穴复合产生光子，通过电子的散播方法，发光层的电流分布相对变得均匀，发光效率有一定程度的提升，电流拥挤的情况得到改善，电压得到一定下降，解决了现有技术发光层电流分散的问题。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

一种LED外延层生长方法，其特征在于，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺杂Mg的P型GaN层、降温冷却，

在所述生长掺杂Si的N型GaN层之后、所述生长发光层之前，还包括：生长SiInN/InAlN超晶格电流扩展层，

所述生长SiInN/InAlN超晶格电流扩展层，具体为：

保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度800℃-900℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、1000sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂、1sccm-5sccm的SiH₄，生长厚度为1nm-5nm的SiInN层；

保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度800℃-900℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、100sccm-200sccm的TMAl、100L/min-130L/min的N₂、1000sccm-2000sccm的TMIn，生长厚度为5nm-10nm的SiAlN层；

周期性生长所述SiInN层和所述InAlN层，生长周期为10-20，

生长所述SiInN层和生长所述InAlN层的顺序可互换。

优选地，其中：

所述处理衬底为：在1000℃-1100℃的H₂气氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底8min-10min。

优选地，其中：

所述生长低温缓冲层为：

降低温度至500℃-600℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm NH₃、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温缓冲层GaN。

优选地，其中：

所述生长不掺杂GaN层为：

升高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。

优选地，其中：

所述生长掺杂Si的N型GaN层为：

保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、20sccm-50sccm的SiH₄，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³；

保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、2sccm-10sccm的SiH₄，持续生长200nm-400nm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm³-1E18atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长发光层为：

保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂，生长掺杂In的厚度为2.5nm-3.5nm的In_xGa_(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长450nm-455nm；

接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的N₂，生长8nm-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7-15个。

优选地，其中：

所述生长P型AlGaN层为：

保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度900℃-950℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp₂Mg，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1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长掺杂Mg的P型GaN层为：

保持反应腔压力400mbar-900mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、1000sccm-3000sccm的Cp₂Mg，持续生长50nm-100nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

优选地，其中：

所述降温冷却为：

降温至650℃-680℃，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：

本发明的LED外延层生长方法，与传统方法相比，在生长掺杂Si的N型GaN层之后、生长发光层之前，引入生长SiInN/InAlN超晶格电流扩展层。利用AlN材料的高能带作用，电子在传播过程中遇到AlN高能带，传输受到能垒的阻挡，由于是大量拥挤的电子，AlN只能缓解电子纵向传播，电子横向传输得到扩展，InN材料作为势阱有很低的能带，具有很强的陷域作用，电子纵向传播速率进一步下降，InN材料厚度到达纳米级将形成很强的二维电子气，二维电子气横向传播速率非常高，这就为电子横向扩展创造有利的条件，通过本专利发明的方法生长的LED，电流的分布变得均匀，发光效率有所增加，电流拥挤的情况得到改善，电压得到下降。

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为本发明中LED外延层的结构示意图；

图2为对比实施例中LED外延层的结构示意图；

其中，1、基板，2、低温缓冲层GaN，3、U型GaN层，4、N型GaN层，5、电流扩展层，5.1、SiInN层，5.2、InAlN层，6、发光层，6.1、In_xGa₍1-x)N层，6.2、GaN层，7、P型AlGaN层，8、P型GaN层，9、ITO，10、SiO₂，11、P电极P pad，12、N电极N pad。

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70mbar到900mbar之间。具体生长方式如下：

一种LED外延层生长方法，外延结构参见图1，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺杂Mg的P型GaN层、降温冷却，

在所述生长掺杂Si的N型GaN层之后、所述生长发光层之前，还包括：生长SiInN/InAlN超晶格电流扩展层，

所述生长SiInN/SiAlN超晶格电流扩展层，具体为：

保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度800℃-900℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、1000sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂、1sccm-5sccm的SiH₄，生长厚度为1nm-5nm的SiInN层；

保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度800℃-900℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、100sccm-200sccm的TMAl、100L/min-130L/min的N₂、1000sccm-2000sccm的TMIn，生长厚度为5nm-10nm的InAlN层；

周期性生长所述SiInN层和所述InAlN层，生长周期为10-20，

生长所述SiInN层和生长所述InAlN层的顺序可互换。

本申请LED外延层的生长中，采用SiInN/InAlN超晶格材料，利用AlN材料的高能带作用，电子在传播过程中遇到AlN高能带，传输受到能垒的阻挡，由于是大量拥挤的电子，AlN只能缓解电子纵向传播，电子横向传输得到扩展，InN材料作为势阱有很低的能带，具有很强的陷域作用，电子纵向传播速率进一步下降，InN材料厚度到达纳米级将形成很强的二维电子气，二维电子气横向传播速率非常高，这就为电子横向扩展创造有利的条件，通过本专利发明的方法生长的LED，电流的分布变得均匀，发光效率有所增加，电流拥挤的情况得到改善，电压得到下降。

实施例2

以下提供本发明LED外延层生长方法的应用实施例，其外延结构参见图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70mbar到900mbar之间。具体生长方式如下：

步骤101、处理衬底：

在1000℃-1100℃的H₂气氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底8min-10min。

步骤102、生长低温缓冲层：

降低温度至500℃-600℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm NH₃、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温缓冲层GaN。

步骤103、生长不掺杂GaN层：

升高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。

步骤104、生长掺杂Si的N型GaN层：

保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、20sccm-50sccm的SiH₄，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³；

保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、2sccm-10sccm的SiH₄，持续生长200nm-400nm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm³-1E18atoms/cm³。

本申请中，1E19代表10的19次方也就是1*10¹⁹，以此类推，atoms/cm³为掺杂浓度单位，下同。

步骤105、生长SiInN/InAlN超晶格电流扩展层：

保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度800℃-900℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、1000sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂、1sccm-5sccm的SiH₄，生长厚度为1nm-5nm的SiInN层；

保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度800℃-900℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、100sccm-200sccm的TMAl、100L/min-130L/min的N₂、1000sccm-2000sccm的TMIn，生长厚度为5nm-10nm的InAlN层；

周期性生长所述SiInN层和所述InAlN层，生长周期为10-20，

生长所述SiInN层和生长所述InAlN层的顺序可互换。

步骤106、生长发光层：

保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂，生长掺杂In的厚度为2.5nm-3.5nm的In_xGa_(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长450nm-455nm；

接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的N₂，生长8nm-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7-15个。

步骤107、生长P型AlGaN层：

保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度900℃-950℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp₂Mg，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1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

步骤108、生长掺杂Mg的P型GaN层：

保持反应腔压力400mbar-900mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、1000sccm-3000sccm的Cp₂Mg，持续生长50nm-100nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

步骤109、降温冷却：

降温至650℃-680℃，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

实施例3

以下提供一种常规LED外延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2)：

1、在1000℃-1100℃的H₂气氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底8min-10min。

2、降低温度至500℃-600℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm NH₃、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温缓冲层GaN。

3、升高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。

4、保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、20sccm-50sccm的SiH₄，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm³-1E19atoms/cm³。

5、保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH₃、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、2sccm-10sccm的SiH₄，持续生长200nm-400nm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm³-1E18atoms/cm³。

6、保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N₂，生长掺杂In的厚度为2.5nm-3.5nm的In_xGa_(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长450nm-455nm；

接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的N₂，生长8nm-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7-15个。

7、保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度900℃-950℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp₂Mg，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1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

8、保持反应腔压力400mbar-900mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH₃、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、1000sccm-3000sccm的Cp₂Mg，持续生长50nm-100nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E20atoms/cm³。

9、降温至650℃-680℃，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)制备样品1，根据本专利描述的方法制备样品2；样品1和样品2外延生长方法参数不同点在于本发明在生长掺杂Si的N型GaN层后引入生长生长SiInN/InAlN超晶格电流扩展层的步骤，即实施例2中的步骤105，生长其它外延层的生长条件完全一样。

样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500nm，相同的条件下镀保护层SiO₂约100nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)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。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的光电性能。

表1为样品1和样品2生长参数对比表，表2为样品1和样品2的电性参数对比表。

表1生长参数的对比表

表2样品1、2产品电性参数的比较

通过表2的数据对比可看出，样品2与样品1相比，亮度从130.15Lm/w提高到了146.55Lm/w，电压从3.15V降低到3.04V，其他参数变化不大。因此可得出以下结论：

通过本专利提供的生长方法，LED光效提升，亮度明显提高，LED电压下降，其他各项LED电性参数变化不大。实验数据证明了本专利的方案能显著提升LED产品光效的可行性。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

本发明的LED外延层生长方法，与传统方法相比，在生长掺杂Si的N型GaN层之后、生长发光层之前，引入生长SiInN/InAlN超晶格电流扩展层。利用AlN材料的高能带作用，电子在传播过程中遇到AlN高能带，传输受到能垒的阻挡，由于是大量拥挤的电子，AlN只能缓解电子纵向传播，电子横向传输得到扩展，InN材料作为势阱有很低的能带，具有很强的陷域作用，电子纵向传播速率进一步下降，InN材料厚度到达纳米级将形成很强的二维电子气，二维电子气横向传播速率非常高，这就为电子横向扩展创造有利的条件，通过本专利发明的方法生长的LED，电流的分布变得均匀，发光效率有所增加，电流拥挤的情况得到改善，电压得到下降。

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。