一种提高发光二极管品质的外延生长方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种提高发光二极管品质的外延生长方法。

背景技术：

工业、家庭照明每年消耗的电量不容小嘘，成为国家电力系统的一大负担，为响应国家节能减排的号召，用户更倾向于选取节能的照明设备。其中，发光二极管(light emitting diode，LED)固体照明，因为其体积小、使用寿命长、高亮度、节能环保以及坚固耐用等优点深受广大消费者信赖。伴随科技的快速发展，国产LED的生产规模在逐步扩大，LED的市场需求品质也越来越高，其中大功率器件驱动电压和亮度要求是目前市场需求的重点，这就为LED外延生长提出了更高的要求。

目前采用在2英寸或者4英寸蓝宝石pss衬底或者平面衬上通过有机金属化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)的方法生长外延片；图2为现有技术中发光二极管的结构示意图，包含：基板蓝宝石Al₂O₃层201、低温缓冲层GaN层202、不掺杂的GaN层203、掺杂Si的N型GaN层204、发光层205(包括：In_xGa_(1-x)N层251、GaN层252)、P型AlGaN层206、掺Mg的P型GaN层207、ITO层208、保护层SiO₂层209、P电极210、N电极211；

图1为现有技术发光二极管外延生长方法的流程示意图，所述LED外延生长方如下：

步骤101、处理蓝宝石衬底：在1000-1100℃的的氢气气氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反应腔压力100-300mbar(气压单位)，处理蓝宝石衬底8-10分钟。

步骤102、生长低温缓冲层GaN层：降温至500-600℃下，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH₃、50-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂、在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层GaN。

步骤103、低温缓冲层GaN层腐蚀处理：升高温度到1000-1200℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccmNH₃、100-130L/min的H₂、持续300-500s将低温缓冲层GaN腐蚀成不规则小岛。

步骤104、生长不掺杂GaN层：升高温度到1000-1200℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、持续生长2-4μm的不掺杂GaN层。

步骤105、生长掺杂Si的第一N型GaN层：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄持续生长3-4μm掺杂Si的第一N型GaN层，Si掺杂浓度5E18-1E19atoms/cm³(备注1E19代表10的19次方,atoms/cm³掺杂浓度单位，以此类推)；

步骤106、生长掺杂Si的第二N型GaN层：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、2-10sccm的SiH₄持续生长200-400nm掺杂Si的第二N型GaN层，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm³；

步骤107、生长In_xGa_(1-x)N/GaN发光层：保持反应腔压力300-400mbar、温度700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N₂，生长掺杂In的2.5-3.5nm的In_xGa_(1-x)N(x＝0.20-0.25)，发光波长450-455nm；接着升高温度至750-850℃，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的N₂，生长8-15nm的GaN层；然后重复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得到发光层，控制周期数为7-15个；

步骤108、生长P型AlGaN层：保持反应腔压力200-400mbar、温度900-950℃，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp₂Mg,持续生长50-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm³；

步骤109、生长掺镁的P型GaN层：保持反应腔压力400-900mbar、温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、1000-3000sccm的Cp₂Mg,持续生长50-100nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm³；

步骤110、降温冷却得到发光二极管：最后降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却；

现有LED制备技术中，在N型GaN层上生长In_xGa_(1-x)N层，由于N型GaN和In_xGa_(1-x)N晶格失配度大，使得发光层中In_xGa_(1-x)N层存在很大应力，In_xGa_(1-x)N空穴和电子的波函数发生分离，电子和空穴的复合效率偏低，进而导致发光层发光效率不高。

因此，提供一种提高发光二极管品质的外延生长方法，释放发光层内部应力，提高发光效率是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种提高发光二极管品质的外延生长方法，解决了现有技术中发光层应力大导致发光层发光效率不高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种提高发光二极管品质的外延生长方法，包括：处理蓝宝石衬底、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、生长应力释放层、生长In_xGa_(1-x)N/GaN发光层、生长P型AlGaN层、生长掺镁的P型GaN层、降温冷却得到发光二极管；其中，

生长应力释放层，进一步包括：

保持反应腔压力在300-400mbar、温度为750-850℃的条件下，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、10-20sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生长10-50nm的SiInGaN层，其中，Si的掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm³，In的掺杂浓度为1E19-5E19atoms/cm³；

保持温度750-850℃、反应腔压力在300-400mbar的条件下，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、1500-2000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生长1-2nm的SiInN层，Si的掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm³；周期性生长SiInGaN层及SiInN层，并控制周期数为10-20个。

进一步地，其中，处理蓝宝石衬底，为：

在温度为1000-1100℃、通入100L/min-130L/min的H₂、保持反应腔压力为100-300mbar的条件下，处理蓝宝石衬底8-10分钟。

进一步地，其中，生长低温缓冲层GaN，为：

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

进一步地，其中，生长低温缓冲层GaN，为：

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

升高温度到1000-1200℃、保持反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-40000sccm的NH₃、100-130L/min的H₂、持续300-500s将所述低温缓冲层GaN腐蚀成不规则的岛状。

进一步地，其中，生长不掺杂GaN层，为：

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

进一步地，其中，生长掺杂Si的N型GaN层，为：

保持温度为1000-1200℃、反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄，持续生长3-4μm掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E18-1E19atoms/cm³。

进一步地，其中，生长掺杂Si的N型GaN层，为：

保持温度为1000-1200℃、反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄，持续生长3-4μm第一掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E18-1E19atoms/cm³；

保持温度为1000-1200℃、反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、2-10sccm的SiH₄，持续生长200-400nm第二掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm³。

进一步地，其中，生长In_xGa_(1-x)N/GaN发光层，为：

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

升高温度至750-850℃、保持反应腔压力为300-400mbar、通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的N₂的条件下，生长8-15nm的GaN层；

交替生长In_xGa_(1-x)N层及GaN层得到In_xGa_(1-x)N/GaN发光层，其中，交替生长周期数为7-15个。

进一步地，其中，生长P型AlGaN层，为：

保持反应腔压力为200-400mbar、温度为900-950℃、通入流量为50000-70000sccm的NH₃、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp₂Mg的条件下，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度为1E20-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm³。

进一步地，其中，生长掺镁的P型GaN层，为：

保持反应腔压力为400-900mbar、温度为950-1000℃、通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、1000-3000sccm的Cp₂Mg的条件下，持续生长50-100nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm³。

与现有技术相比，本发明的提高发光二极管品质的外延生长方法，实现了如下的有益效果：

(1)本发明所述的提高发光二极管品质的外延生长方法，在N型GaN层和发光层之间引入了SiInN/SiInGaN超晶格层的设计，通过SiInN/SiInGaN超晶格层中晶格常数随周期数的增加而逐步放大的变化，以趋于实现SiInN/SiInGaN超晶格层与In_xGa_(1-x)N层的晶格匹配，使In_xGa_(1-x)N层处于无应力状态。避免了现有技术发光层中的In_xGa_(1-x)N存在应力过大的问题。

(2)本发明所述的提高发光二极管品质的外延生长方法，应力释放层的设计，适于在SiInN/SiInGaN超晶格层上面直接生长In_xGa_(1-x)N，发光层材料In_xGa_(1-x)N/GaN与SiInN/SiInGaN超晶格非常接近，实现了发光层的应力释放，从而显著提升了发光层的电性参数和光效，进而提升LED品质。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术中发光二极管外延生长方法的流程示意图；

图2为现有技术中发光二极管的结构示意图；

图3为本发明实施例1中所述提高发光二极管品质的外延生长方法的流程示意图；

图4为本发明实施例1中所述发光二极管的结构示意图；

图5为本发明实施例3中所述现有技术方法制备得到LED与本发明方法制备得到LED对比实验的流程图；

图6为本发明实施例2中所述提高发光二极管品质的外延生长方法的流程示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1

如图4所示，为本发明实施例所述发光二极管的结构示意图，本实施例所述的发光二极管结构包括：基板蓝宝石Al₂O₃层401、低温缓冲层GaN层402、不掺杂的GaN层403、掺杂Si的GaN层404、应力释放层405(包括：SiInN层451、SiInGaN层452)、发光层406(包括：In_xGa_(1-x)N层461、GaN层462)、P型AlGaN层407、掺Mg的P型GaN层408、ITO层409、SiO₂保护层410、P电极411、N电极412。

图3为本实施例所述提高发光二极管品质的外延生长方法的流程示意图；本实施例所述方法解决了现有技术中发光层应力大而导致发光层发光效率不高的技术问题。本实施例所述提高发光二极管品质的外延生长方法包括以下步骤：

步骤301、处理蓝宝石衬底；在温度为1000-1100℃、通入H₂、保持反应腔压力为100-300mbar的条件下，处理蓝宝石。

步骤302、生长低温缓冲层GaN层。

步骤303、生长不掺杂的GaN层。

步骤304、生长掺杂Si的N型GaN层。

步骤305、生长应力释放层；包括：

保持反应腔压力在300-400mbar、温度为750-850℃的条件下，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、10-20sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生长10-50nm的SiInGaN层，其中，Si的掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm³，In的掺杂浓度为1E19-5E19atoms/cm³；

保持温度750-850℃、反应腔压力在300-400mbar的条件下，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、1500-2000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生长1-2nm的SiInN层，Si的掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm³；周期性生长SiInGaN层及SiInN层，并控制周期数为10-20个。

步骤306、生长In_xGa_(1-x)N/GaN发光层。

步骤307、生长P型AlGaN层。

步骤308、生长掺镁的P型GaN层。

步骤309、降温冷却得到发光二极管。

本实施例所述的，在N型GaN层和In_xGa_(1-x)N层之间设计有SiInN/SiInGaN超晶格层，通过SiInN/SiInGaN超晶格层晶格常数的变化，释放发光层中In_xGa_(1-x)N的应力，生长完全弛豫的SiInN/SiInGaN超晶格用于发光层的生长，发光层材料In_xGa_(1-x)N/GaN与SiInN/SiInGaN超晶格非常接近，实现了发光层的应力释放。

实施例2

图6为本发明实施例所述提高发光二极管品质的外延生长方法的流程示意图所示；本实施例在实施例1的基础上，进一步对发光二极管的外延生长方法进行了说明。本实施例所述提高发光二极管品质的外延生长方法包括以下步骤：

步骤601、在温度为1000-1100℃、通入100L/min-130L/min的H₂、保持反应腔压力为100-300mbar的条件下，处理蓝宝石衬底8-10分钟。

步骤602、降温至500-600℃、保持反应腔压力为300-600mbar、通入流量为10000-20000sccm的NH₃、50-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H₂，在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层GaN层。

步骤603、升高温度到1000-1200℃、保持反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-40000sccm的NH₃、100-130L/min的H₂、持续300-500s将所述低温缓冲层GaN腐蚀成不规则的岛状。

步骤604、升高温度到1000-1200℃、保持反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-40000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂，持续生长2-4μm的不掺杂GaN层。

步骤605、保持温度为1000-1200℃、反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、20-50sccm的SiH₄，持续生长3-4μm第一掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E18-1E19atoms/cm³。

步骤606、保持温度为1000-1200℃、反应腔压力为300-600mbar、通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、2-10sccm的SiH₄，持续生长200-400nm第二掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm³。

步骤607、保持反应腔压力在300-400mbar、温度为750-850℃的条件下，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、10-20sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生长10-50nm的SiInGaN层，其中，Si的掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm³，In的掺杂浓度为1E19-5E19atoms/cm³。

步骤608、保持温度750-850℃、反应腔压力在300-400mbar的条件下，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、100-130L/min的N₂、1500-2000sccm的TMIn、1-5sccm的SiH₄，生长1-2nm的SiInN层，Si的掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm³；周期性生长SiInGaN层及SiInN层，并控制周期数为10-20个。

步骤609、保持反应腔压力300-400mbar、温度为700-750℃、通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N₂的条件下，生长掺杂In的2.5-3.5nm的In_xGa_(1-x)N层，其中，x＝0.20-0.25，发光波长450-455nm。

步骤610、升高温度至750-850℃、保持反应腔压力为300-400mbar、通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的N₂的条件下，生长8-15nm的GaN层。

步骤611、交替生长In_xGa_(1-x)N层及GaN层得到In_xGa_(1-x)N/GaN发光层，其中，交替生长周期数为7-15个。

步骤612、保持反应腔压力为200-400mbar、温度为900-950℃、通入流量为50000-70000sccm的NH₃、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp₂Mg的条件下，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度为1E20-3E20atoms/cm³，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm³。

步骤613、保持反应腔压力为400-900mbar、温度为950-1000℃、通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、1000-3000sccm的Cp₂Mg的条件下，持续生长50-100nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm³。

步骤614、最后降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

在N型GaN层与In_xGa_(1-x)N层之间引入了SiInN/SiInGaN超晶格层的设计；SiInN/SiInGaN超晶格层的晶格常数随着周期数的增加而逐步放大，实现SiInN/SiInGaN超晶格层与In_xGa_(1-x)N层的晶格匹配，使发光层In_xGa_(1-x)N/GaN处于弛豫状态(无应力状态)，从而显著提升了发光层的电性参数及发光效率，进而提升LED品质。

实施例3

以下提供本发明所述提高发光二极管品质的外延生长方法的应用实施例，对LED的现有技术制备方法和上述实施例制备方法进行了对比试验，如表1所示：

样品1为现有技术制备的LED，制备流程如图1所示；样品2为本专利技术制备的LED，制备流程如图3所示；所述样品1和样品2发光二极管外延生长方法的区别在于：发光层的生长条件不同。样品1与样品2光电性能的对比实验如图5所示，步骤如下：

步骤501、现有技术LED样品1和发明技术LED样品2各取三片。

步骤502、以相同的工艺，分别在样品1、2上镀ITO层，厚约150nm。

步骤503、以相同的条件，分别在样品1、2的ITO层上镀Cr/Pt/Au电极约1500nm。

步骤504、以相同的条件，分别在样品1、2的Cr/Pt/Au电极上镀保护层SiO₂约100nm。

步骤505、相同的条件下，分别把处理后的样品1、2研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片颗粒。

步骤506、分别在样品1、2的相同位置挑选100颗晶粒，在相同的工艺下封装成白光LED。

步骤507、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发光层制备工艺的参数对比表

表2样品1、2的电性参数对比表

所述积分球测试获取的产品光电性能数据列入表2，经分析对比可得：本发明所述提高发光二极管品质的外延生长方法，所获得的LED的电性参数及光效显著增加，LED品质得到提升，实验数据证明了本发明方案具有提升LED产品质量的可行性。

通过上述实施例可知，本发明的提高发光二极管品质的外延生长方法，达到了如下的有益效果：

(1)本发明所述的提高发光二极管品质的外延生长方法，在N型GaN层和发光层之间引入了SiInN/SiInGaN超晶格层的设计，通过SiInN/SiInGaN超晶格层中晶格常数随周期数的增加而逐步放大的变化，以趋于实现SiInN/SiInGaN超晶格层与In_xGa_(1-x)N层的晶格匹配，使In_xGa_(1-x)N层处于无应力状态。避免了现有技术发光层中的In_xGa_(1-x)N存在应力过大的问题。

(2)本发明所述的提高发光二极管品质的外延生长方法，应力释放层的设计，适于在SiInN/SiInGaN超晶格层上面直接生长In_xGa_(1-x)N，发光层材料In_xGa_(1-x)N/GaN与SiInN/SiInGaN超晶格非常接近，实现了发光层的应力释放，从而显著提升了发光层的电性参数和光效，进而提升LED品质。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。