一种LED外延生长的方法与流程

本发明涉及led芯片领域，更具体地，涉及一种led外延生长的方法。

背景技术：

随着半导体、计算机、太阳能等产业的发展,透明导电氧化物(transparentconductingoxide,tco)薄膜随之产生并发展起来。tco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ito(in2o3∶sn)薄膜。但是,ito薄膜中in2o3价格昂贵，生产成本高，而且，in材料具有毒性,在制备和应用ito薄膜的过程，容易对工作人员产生危害，另外，sn和in的原子质量较大,制备ito薄膜的过程中容易渗入到衬底内部,污染衬底材料,尤其在液晶显示器领域中，ito薄膜污染衬底的现象最严重。另一方面，zn源储量丰富、价格便宜、没有毒性并且zn的原子质量较小，zno∶al(简称azo)透明导电薄膜在氢等离子体中的稳定性也高于ito薄膜,同时其具有可与ito薄膜相比拟的光电特性，具有广阔的发展前景,近年来，产业上逐渐采用azo薄膜取代ito薄膜。

目前市场上，在led芯片上用于制作电流扩展层的材料，主要是ito透明导电薄膜，相应的led芯片的接触层，主要被设计用于匹配ito材料，一般用gan材料制备led芯片中的接触层。如果要在led芯片上面采用azo透明导电薄膜制备电流扩展层，为降低接触电阻，必须对接触层做出相应的调整。

因此，提供一种led外延生长的方法，用以匹配azo透明导电薄膜制备的电流扩展层，降低接触电阻，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种led外延生长的方法，用以匹配azo透明导电薄膜制备的电流扩展层，降低了接触电阻。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

一种led外延生长的方法，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n型gan层、生长量子阱层、生长电子阻挡层、生长高温p型gan层和生长inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构，降温冷却；

其中：生长inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构，进一步为：

调节生长温度为750℃-1050℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1nm-5nm的inxga1-xn:si，其中：si掺杂浓度为10¹⁹atoms/cm^-3-10²²atoms/cm^-3，x＝0.03-0.3；

调节生长温度为750℃-1050℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1nm-5nm的alyga1-yn:si，其中：si掺杂浓度为10¹⁹atoms/cm^-3-10²²atoms/cm^-3,y＝0.02-0.3；

交替生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si，周期数为1-10，其中：生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si时，采用tega、tmin和tmal为mo源，采用的sih4为si源，采用nh3为n源。

可选的，处理衬底，进一步为：

以蓝宝石作为衬底，清洁衬底表面，调节温度为1050℃-1150℃，在氢气气氛里进行退火。

可选的，生长低温gan成核层，进一步为：

调节生长温度为500℃-620℃，调节生长压力为400torr-650torr，通入nh3和tmga，在衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温gan成核层。

可选的，生长高温gan缓冲层，进一步为：

停止通入tmga，调节温度至1000℃-1100℃，进行原位退火，退火时间为5min-10min，原位退火后，调节温度至900℃-1050℃，通入tmga，调节生长压力为400torr-650torr，生长厚度为0.2μm-1um的高温gan缓冲层。

可选的，生长非掺杂u-gan层，进一步为：

通入nh3和tmga，调节生长温度为1050℃-1200℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-gan层。

可选的，生长n型gan层，进一步为：

通入nh3、tmga和sih4，调节生长温度为1050℃-1200℃，调节生长压力为100torr-600torr，生长厚度为2μm-4μm的n型gan层，n型gan层中，si掺杂浓度为8×10¹⁸atoms/cm^-3-2×10¹⁹atoms/cm^-3。

可选的，生长量子阱层，进一步为：

调节生长温度为700℃-800℃，调节生长压力为100torr-500torr，制备厚度为2nm-5nm的inzga1-zn，其中z＝0.1-0.3；

调节生长温度为800℃-950℃，生长压力为100torr-500torr，制备厚度为8nm-15nm的垒层gan，垒层gan中si掺杂浓度为8×10¹⁶atoms/cm^-3-6×10¹⁷atoms/cm^-3；

交替生长inzga1-zn和垒层gan，周期数为5-15，形成inzga1-zn/gan阱垒结构作为量子阱层，其中：生长inzga1-zn和垒层gan时，采用tega和tmin为mo源，采用sih4为si源。

可选的，生长电子阻挡层，进一步为：

调节生长温度为900℃-1100℃，调节生长压力为20torr-200torr，采用tmal、tmga和cp2mg为mo源，生长厚度为50nm-200nm的p型algan层，生长时间为3min-10min，p型algan中，al的摩尔组分为10％-30％，mg的掺杂浓度为10¹⁸atoms/cm^-3-10²¹atoms/cm^-3。

可选的，生长高温p型gan层，进一步为：

调节生长温度为850℃-1000℃，调节生长压力为100torr-500torr，采用tmga和cp2mg为mo源，生长厚度为100nm-800nm的高温p型gan层，高温p型gan层中，mg掺杂浓度为10¹⁸atoms/cm^-3-10²¹atoms/cm^-3。

可选的，降温冷却，进一步为：

调节反应室温度至650℃-800℃，在氮气氛围下进行退火，退火时间为5min-10min，然后降低温度至室温。

与现有技术相比，本发明提供的一种led外延生长的方法，实现了如下的有益效果：

本发明提供的方法中，采用inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构作为led外延结构的接触层，用以匹配azo透明导电薄膜制备的电流扩展层，通过inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构材料来调整与azo薄膜材料的势垒高度差，降低了接触电阻，从而减小了led芯片的工作电压，同时通过重掺杂窄化了半导体耗尽区，提高了载流子隧穿的概率。

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为本发明实施例1中一种led外延生长的方法；

图2为本发明中一种led外延结构；

图3为本发明实施例2中一种led外延生长的方法；

图4为相关技术中一种led外延结构；

图5为实施例3中led芯片驱动电压分布图；

图6为实施例3中led芯片亮度分布图。

其中：10、衬底，20、缓冲层(包括低温gan成核层和高温gan缓冲层)，30、非掺杂u-gan层，40、n型gan层，50、量子阱层，60、电子阻挡层，70、高温p型gan层，80、inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构，90、gan:mg接触层。

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，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：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

本发明实施例1中采用veecomocvd来生长高亮度gan基led外延片。采用高纯h2、高纯n2或者，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)和金属有机源三乙基镓(tega)为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，二甲基锌(dmzn)作为锌源，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，反应压力在100torr-1000torr之间。

图1为本发明实施例1中一种led外延生长的方法，如图1所示，本发明提供一种led外延生长的方法，包括：

s101：处理衬底；s102：生长低温gan成核层；s103：生长高温gan缓冲层；s104：生长非掺杂u-gan层；s105：生长n型gan层；s106：生长量子阱层；s107：生长电子阻挡层；s108：生长高温p型gan层；s109：生长inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构；s110：降温冷却；

其中：s109生长inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构，进一步为：

调节生长温度为750℃-1050℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1nm-5nm的inxga1-xn:si，其中：si掺杂浓度为10¹⁹atoms/cm^-3-10²²atoms/cm^-3，x＝0.03-0.3；

调节生长温度为750℃-1050℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1nm-5nm的alyga1-yn:si，其中：si掺杂浓度为10¹⁹atoms/cm^-3-10²²atoms/cm^-3,y＝0.02-0.3；

交替生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si，周期数为1-10，即在s108中所生长的高温p型gan层上，重复生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si，重复次数为1-10次，其中：生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si时，采用tega、tmin和tmal为mo源，采用sih4为si源，采用nh3为n源。

图2为本发明中一种led外延结构，采用本发明所提供的led外延生长的方法，所生长出的led外延结构如图2所示。

本发明所提供的方法中，采用inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构作为led外延结构的接触层，用以匹配azo透明导电薄膜制备的电流扩展层，通过inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构材料来调整与azo薄膜材料的势垒高度差，降低了接触电阻，从而降低了led芯片的工作电压，同时通过重掺杂窄化了半导体耗尽区，提高了载流子隧穿的概率。本发明的发明人经研究发现，在s109中，控制生长温度为750℃-1050℃，生长压力为100torr-500torr时，所生长的inxga1-xn:si和alyga1-yn:si与作为电流扩展层的azo薄膜相匹配时，最能降低led芯片的工作电压，且提高亮度，控制交替生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si的周期数为1-10时，既能保证与azo薄膜材料之间能带的平稳过渡，降低接触电阻，又不会明显增加led芯片的厚度。

实施例2

本发明实施例2中采用veecomocvd来生长高亮度gan基led外延片。采用高纯h2、高纯n2或者，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)和金属有机源三乙基镓(tega)为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，二甲基锌(dmzn)作为锌源,n型掺杂剂为硅烷(sih4)，p型掺杂剂为二茂镁(cp2mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100tor到1000tor之间。

图3为本发明实施例3中一种led外延生长的方法，如图3所示，本发明提供一种led外延生长的方法，包括：

s201：处理衬底；

在一些可选的实施例中，具体为：以蓝宝石作为衬底，清洁衬底表面，调节温度为1050℃-1150℃，在氢气气氛里进行退火。通过退火处理，促进晶粒生长，减少晶体内部缺陷，提高衬底本身的强度。

s202：生长低温gan成核层；

在一些可选的实施例中，具体为：调节生长温度为500℃-620℃，调节生长压力为400torr-650torr，通入nh3和tmga，在衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温gan成核层。

s203：生长高温gan缓冲层；

在一些可选的实施例中，具体为：停止通入tmga，调节温度至1000℃-1100℃，进行原位退火，退火时间为5min-10min，原位退火后，调节温度至900℃-1050℃，通入tmga，调节生长压力为400torr-650torr，生长厚度为0.2μm-1um的高温gan缓冲层。通过在高温下进行原位退火，提高了晶体的结晶度，同时无需将材料从炉体内取出，简化工艺且节约能量。

s204：生长非掺杂u-gan层；

在一些可选的实施例中，具体为：通入nh3和tmga，调节生长温度为1050℃-1200℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-gan层。

s205：生长n型gan层；

在一些可选的实施例中，具体为：通入nh3、tmga和sih4，调节生长温度为1050℃-1200℃，调节生长压力为100torr-600torr，生长厚度为2μm-4μm的n型gan层，n型gan层中，si掺杂浓度为8×10¹⁸atoms/cm^-3-2×10¹⁹atoms/cm^-3。

s206：生长量子阱层；

在一些可选的实施例中，具体为：调节生长温度为700℃-800℃，调节生长压力为100torr-500torr，制备厚度为2nm-5nm的inzga1-zn，其中z＝0.1-0.3；

调节生长温度为800℃-950℃，生长压力为100torr-500torr，制备厚度为8nm-15nm的垒层gan，垒层gan中si掺杂浓度为8×10¹⁶atoms/cm^-3-6×10¹⁷atoms/cm^-3；

交替生长inzga1-zn和垒层gan，周期数为5-15，形成inzga1-zn/gan阱垒结构作为量子阱层，其中：生长inzga1-zn和垒层gan时，采用tega和tmin为mo源，采用sih4为si源。

s207：生长电子阻挡层；

在一些可选的实施例中，具体为：调节生长温度为900℃-1100℃，调节生长压力为20torr-200torr，采用tmal、tmga和cp2mg为mo源，生长厚度为50nm-200nm的p型algan层，生长时间为3min-10min，在p型algan中，al的摩尔组分为10％-30％，mg的掺杂浓度为10¹⁸atoms/cm^-3-10²¹atoms/cm^-3。

s208：生长高温p型gan层；

在一些可选的实施例中，具体为：调节生长温度为850℃-1000℃，调节生长压力为100torr-500torr，采用tmga和cp2mg为mo源，生长厚度为100nm-800nm的高温p型gan层，高温p型gan层中，mg掺杂浓度为10¹⁸atoms/cm^-3-10²¹atoms/cm^-3。

s209：生长inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构；

调节生长温度为750℃-1050℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1nm-5nm的inxga1-xn:si，其中：si掺杂浓度为10¹⁹atoms/cm^-3-10²²atoms/cm^-3，x＝0.03-0.3；

调节生长温度为750℃-1050℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1nm-5nm的alyga1-yn:si，其中：si掺杂浓度为10¹⁹atoms/cm^-3-10²²atoms/cm^-3,y＝0.02-0.3；

交替生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si，周期数为1-10，即在s108中所生长的高温p型gan层上，重复生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si，重复次数为1-10次，其中：生长inxga1-xn:si和alyga1-yn:si时，采用tega、tmin和tmal为mo源，采用的sih4为si源，采用nh3为n源。

s210：降温冷却；

在一些可选的实施例中，具体为：调节反应室温度至650℃-800℃，在氮气氛围下进行退火，退火时间为5min-10min，然后降低温度至室温。

采用本发明提供一种led外延生长的方法，生长出的led外延结构如图2所示，通过采用inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构，以匹配azo透明导电薄膜，来降低接触电阻，从而降低led芯片的工作电压，或者在不增加工作电压的条件下，增加了led芯片的亮度，提高了出光效率，增加了电能向光能转化的转化效率。

实施例3

以下提供一种相关led外延生长方法，作为本发明的对比实施例，

相关led外延生长方法如下：

以蓝宝石作为衬底，清洁衬底表面，调节温度为1050℃-1150℃，在氢气气氛里进行退火。

调节生长温度为500℃-620℃，调节生长压力为400torr-650torr，通入nh3和tmga，在衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温gan成核层。

停止通入tmga，调节温度至1000℃-1100℃，进行原位退火，退火时间为5min-10min，原位退火后，调节温度至900℃-1050℃，通入tmga，调节生长压力为400torr-650torr，生长厚度为0.2μm-1um的高温gan缓冲层。

高温gan缓冲层生长结束后，通入nh3和tmga，调节生长温度为1050℃-1200℃，调节生长压力为100torr-500torr，生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-gan层。

通入nh3、tmga和sih4，调节生长温度为1050℃-1200℃，调节生长压力为100torr-600torr，生长厚度为2μm-4μm的n型gan层，n型gan层中，si掺杂浓度为8×10¹⁸atoms/cm^-3-2×10¹⁹atoms/cm^-3。

调节生长温度为700℃-800℃，调节生长压力为100torr-500torr，制备厚度为2nm-5nm的inzga1-zn，其中z＝0.1-0.3；

调节生长温度为800℃-950℃，生长压力为100torr-500torr，制备厚度为8nm-15nm的垒层gan，垒层gan中si掺杂浓度为8×10¹⁶atoms/cm^-3-6×10¹⁷atoms/cm^-3；

交替生长inzga1-zn和垒层gan，周期数为5-15，形成inzga1-zn/gan阱垒结构作为量子阱层，其中：生长inzga1-zn和垒层gan时，采用tega和tmin为mo源，采用sih4为si源。

量子阱层生长结束后，调节生长温度为900℃-1100℃，调节生长压力为20torr-200torr，采用tmal、tmga和cp2mg为mo源，生长厚度为50nm-200nm的p型algan层，生长时间为3min-10min，p型algan中，al的摩尔组分为10％-30％，mg的掺杂浓度为10¹⁸atoms/cm^-3-10²¹atoms/cm^-3。

p型algan层生长结束后，调节生长温度为850℃-1000℃，调节生长压力为100torr-500torr，采用tmga和cp2mg为mo源，生长厚度为100nm-800nm的高温p型gan层，在高温p型gan层中，mg掺杂浓度为10¹⁸atoms/cm^-3-10²¹atoms/cm^-3。

高温p型gan层生长结束后，生长厚度为5nm-20nm的接触层，即gan:mg接触层，所用mo源为tega和cp2mg，生长温度为850℃-1050℃，生长压力为100torr-500torr，mg掺杂浓度为10¹⁹atoms/cm^-3-10²²atoms/cm^-3；

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。

根据相关的led的生长方法制备样品1，用同样的设备，根据本专利提供的方法制备样品2，样品1和样品2的生长方法的不同点在于：生长接触层的生长方式不一样，其他外延层组成的生长条件完全一样，样品1的接触层为gan:mg接触层，样品2采用本发明提供的周期数为5的inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构作为接触层，表1为样品1和样品2的生长参数对比表，请参考表1。样品1和样品2在相同的工艺条件下，镀azo透明导电薄膜做为电流扩展层，然后在相同的条件下将样品1和样品2研磨切割成762μm*762μm的芯片颗粒，然后从样品1和样品2相同位置处各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光led芯片。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生长参数对比表

图5为实施例3中led芯片驱动电压分布图，图6为实施例3中led芯片亮度分布图。如图5所示。样品1的驱动电压为3.40v-3.45v，样品2的驱动电压为3.20v-3.25v，如图6所示，样品2的亮度明显高于样品1的亮度，样品1的平均亮度约为530mw，样品2的平均亮度约为540mw。由此可知，采用本发明提供的inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构作为接触层后，能够降低azo薄膜做电流扩展层的led芯片的驱动电压，并有助于提升亮度。

通过上述各个实施例可知，本申请实现了如下的有益效果：

本发明中提供的方法中，采用inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构作为led外延结构的接触层，匹配用azo透明导电薄膜制备的电流扩展层，通过inxga1-xn:si/alyga1-yn:si超晶格结构材料来调整与azo薄膜材料的势垒高度差，降低了接触电阻，从而减小了led芯片的工作电压，同时通过重掺杂窄化了半导体耗尽区，提高了载流子隧穿的概率。

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。