一种LED外延层生长方法与流程

本申请涉及led外延设计应用技术领域，具体地说，涉及一种led外延层生长方法。

背景技术：

led(lightemittingdiode，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亮度和光效的需求与日俱增，客户关注的是led更省电，亮度更高、光效更好，这就为led外延生长提出了更高的要求。

目前，led市场上现在要求led芯片驱动电压低，特别是大电流下驱动电压越小越好、光效越高越好；led市场价值的体现为(光效)/单价，光效越好，价格越高，所以led高光效一直是led厂家和院校led研究所所追求的目标。并且目前大部分厂家生产led的尺寸已经由2英寸升级为4英寸。led尺寸升级为4英寸后，led普遍存在外延片翘曲大、发光效率低下等技术难题。

因此，如何通过led外延生长提高led的发光效率，并减少外延片翘曲，成为现阶段亟待解决的技术问题。

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led外延层生长方法，把传统的n型gan层，设计为n2和h2混合气氛低温alingan：zn层、h2气氛中温ingan：si层、n2气氛高温gan：mg层的结构，并通过引入nh3裂解工艺，以增强发光辐射效率，提高led的发光效率，并减少外延片翘曲，改善外延片外观。

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、生长低温成核层gan、生长高温gan缓冲层、生长非掺杂u-gan层、生长n2和h2混合气氛低温alingan：zn层、生长h2气氛中温ingan：si层、生长n2气氛高温gan：mg层、nh3裂解、生长发光层、生长p型algan层、生长p型gan层、生长p型gan接触层、降温冷却，其中，

所述生长n2和h2混合气氛低温alingan：zn层包括：

通入n2、h2及二甲基锌dmzn，在n2和h2的混合气氛下，保持生长温度为500℃至550℃，保持生长压力为450torr至550torr，并通入50-70sccm的tmga、1200-1400sccm的tmin、100-130sccm的tmal,生长厚度为70nm至110nm的n2和h2混合气氛低温alingan：zn层，zn掺杂浓度为2e18atoms/cm³至5e18atoms/cm³；

所述生长h2气氛中温ingan：si层包括：

升高温度至750℃至850℃，通入h2和sih4，在h2气氛下，保持生长温度为750℃至850℃，保持生长压力为450torr至550torr，并通入80-95sccm的tmga、900-1000sccm的tmin、生长厚度为60nm至80nm的h2气氛中温ingan：si层，si掺杂浓度为1e19atoms/cm³至3e19atoms/cm³；

所述生长n2气氛高温gan：mg层包括：

升高温度至1050℃至1150℃，通入n2和cp2mg，在n2气氛下，保持生长温度为1050℃至1150℃，保持生长压力为450torr至550torr，并通入110-130sccm的tmga，生长厚度为40nm至55nm的n2气氛高温gan：mg层，mg掺杂浓度为1e20atoms/cm³至1e21atoms/cm³；

所述nh3裂解包括：

保持压力不变，升高温度至1250℃，通入h2、n2作为载气，同时通入80-100l/min的nh3，反应过程中将温度从1250℃渐变增加至1400℃，nh3流量从100-80l/min渐变减少至20-30l/min，反应时间控制为35s-45s，使nh3在高温下充分裂解，裂解的n原子附着在上述生长的n2气氛高温gan：mg层上，同时裂解的h元素随载气输送至尾管排出反应室。

可选地，其中：

所述处理衬底，具体为：将蓝宝石衬底在h2气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃至1150℃。

可选地，其中：

所述生长低温成核层gan和生长高温gan缓冲层，具体为：

降低温度至500℃至620℃，保持反应腔压力400torr至650torr，通入nh3和tmga，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm至40nm的低温成核层gan；

停止通入tmga，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃至1100℃，退火时间为5min至10min；

退火之后，将温度调节至900℃至1050℃，继续通入tmga，外延生长厚度为0.2μm至1μm的高温gan缓冲层，生长压力控制在400torr-650torr。

可选地，其中：

所述生长非掺杂u-gan层，具体为：

升高温度到1050℃至1200℃，保持反应腔压力100torr-500torr，通入nh3和tmga，持续生长厚度为1μm至3μm的非掺杂u-gan层。

可选地，其中：

所述生长发光层，具体为：

保持反应腔压力100torr至500torr、温度700℃至800℃，所用mo源为tega、tmin和sih4，生长掺杂in的厚度为2nm至5nm的量子阱层inyga(1-y)n，y＝0.1至0.3；

接着升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100torr至500torr，所用mo源为tega、tmin和sih4，生长厚度为8nm至15nm的垒层gan，垒层gan进行si掺杂，si掺杂浓度为8e16atoms/cm³至6e17atoms/cm³；

重复inyga(1-y)n的生长，然后重复gan的生长，交替生长inyga(1-y)n/gan发光层，控制周期数为5至15个。

可选地，其中：

所述生长p型algan层，具体为：

保持反应腔压力20torr至200torr、温度900℃至1100℃，通入mo源为tmal、tmga和cp2mg，持续生长厚度为50nm至200nm的p型algan层，生长时间为3min至10min，al的摩尔组分为10％至30％，mg掺杂浓度1e18atoms/cm³-1e21atoms/cm³。

可选地，其中：

所述生长p型gan层，具体为：

保持反应腔压力100torr至500torr、温度850℃至1000℃，通入mo源为tmga和cp2mg，持续生长厚度为100nm至800nm的p型gan层，mg掺杂浓度1e18atoms/cm³-1e21atoms/cm³。

可选地，其中：

所述生长p型gan接触层，具体为：

保持反应腔压力100torr至500torr、温度850℃至1050℃，通入mo源为tega和cp2mg，持续生长厚度为5nm至20nm的掺杂mg的p型gan接触层，mg掺杂浓度1e19atoms/cm³-1e22atoms/cm³。

可选地，其中：

所述降温冷却，具体为：

外延生长结束后，将反应时的温度降至650℃至800℃，采用纯n2氛围进行退火处理5min至10min，然后降至室温，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：

第一、本发明led外延生长方法，与传统方法相比，把传统的n型gan层，设计为n2和h2混合气氛低温alingan：zn层、h2气氛中温ingan：si层和n2气氛高温gan：mg层结构，目的是在最靠近量子阱的区域，先通过生长n2和h2混合气氛低温alingan：zn层，能提供较多空穴进入量子阱区域，同时n2和h2混合气氛下，原子较难达到衬底表面反应，横向生长受到抑制，能形成较粗的界面，更有利于量子阱的反射出光。接着生长h2气氛中温ingan：si层，加快横向生长，并填补低温n2和h2气氛生长的pits缺陷。最后通过生长高温gan：mg层，可以有效提升空穴浓度，并使得电子向p型泄露的难度逐渐增大，能更好的抑制电子泄露出量子阱发光区，还能有效推动空穴注入量子阱发光区，提升量子阱发光区的电子空穴对，增强发光辐射效率，提高led的发光效率。

第二、本发明led外延生长方法通过引入n2和h2混合气氛低温alingan：zn层、h2气氛中温ingan：si层和n2气氛高温gan：mg层结构，有利于消除大尺寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，能够显著增大外延膜材料应力控制的窗口，从而可以减少外延片翘曲，有利于提高gan外延片的合格率，并且提高了led发光效率和抗静电能力。

第三、本发明通过引入nh3裂解工艺，使n原子附着在生长的n2气氛高温gan：mg层上，同时裂解的h元素随载气输送至尾管排出反应室，外延层h元素显著减少，减少了mg-h浓度，在低h元素浓度环境下，此时mg元素较多的取代ga元素作为可电离mg元素进入gan晶格，可电离的mg元素浓度增加，空穴浓度较高，宏观上表现为器件驱动电压降低，发光效率提高。

第四、本发明通过在高温下对nh3进行裂解，同时控制温度渐变增加，可以起到对生长好的n2气氛高温gan：mg层的退火作用，促使其晶格在热作用下，得到新的规则排列，有利于获得整齐的外延层表面，能够改善外延片的外观。

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、衬底，2、低温成核层gan，3、缓冲层gan，4、u-gan层，5、n2和h2混合气氛低温alingan：zn层，6、h2气氛中温ingan：si层，7、n2气氛高温gan：mg层，8、发光层，9、p型algan层，10、p型gan层，11、p型gan接触层；12、传统n-gan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，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。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

以下提供本发明的led外延生长方法的应用实施例，其外延结构参见图1，图1为本发明中led外延层的结构示意图，生长方法参见图1。本申请运用veecomocvd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(nh3纯度99.999％)为n源，金属有机源三甲基镓(tmga)和金属有机缘三乙基镓(tega)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100torr到1000torr之间。具体生长方式如下：

步骤1、处理衬底1：

将蓝宝石衬底1在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃至1150℃。

步骤2、生长低温成核层gan2：

降低温度至500℃至620℃，保持反应腔压力400torr至650torr，通入nh3和tmga，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm至40nm的低温成核层gan2。

步骤3，生长高温gan缓冲层3：

停止通入tmga，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃至1100℃，退火时间为5min至10min；

退火之后，将温度调节至900℃至1050℃，继续通入tmga，外延生长厚度为0.2μm至1μm的高温gan缓冲层3，生长压力控制在400torr-650torr。

步骤4、生长非掺杂u-gan层4：

升高温度到1050℃至1200℃，保持反应腔压力100torr-500torr，通入nh3和tmga，持续生长厚度为1μm至3μm的非掺杂u-gan层4。

步骤5、生长n2和h2混合气氛低温alingan：zn层5：

通入n2、h2及二甲基锌dmzn，在n2和h2的混合气氛下，保持生长温度为500℃至550℃，保持生长压力为450torr至550torr，并通入50-70sccm的tmga、1200-1400sccm的tmin、100-130sccm的tmal,生长厚度为70nm至110nm的n2和h2混合气氛低温alingan：zn层5，zn掺杂浓度为2e18atoms/cm³至5e18atoms/cm³。

本申请中，2e18代表2乘以10的18次方也就是1*10¹⁸，以此类推，atoms/cm³为掺杂浓度单位，下同。

步骤6、生长h2气氛中温ingan：si层6：

升高温度至750℃至850℃，通入h2和sih4，在h2气氛下，保持生长温度为750℃至850℃，保持生长压力为450torr至550torr，并通入80-95sccm的tmga、900-1000sccm的tmin、生长厚度为60nm至80nm的h2气氛中温ingan：si层6，si掺杂浓度为1e19atoms/cm³至3e19atoms/cm³。

步骤7、生长n2气氛高温gan：mg层7：

升高温度至1050℃至1150℃，通入n2和cp2mg，在n2气氛下，保持生长温度为1050℃至1150℃，保持生长压力为450torr至550torr，并通入110-130sccm的tmga，生长厚度为40nm至55nm的n2气氛高温gan：mg层7，mg掺杂浓度为1e20atoms/cm³至1e21atoms/cm³。

步骤8、nh3裂解：

保持压力不变，升高温度至1250℃，通入h2、n2作为载气，同时通入80-100l/min的nh3，反应过程中将温度从1250℃渐变增加至1400℃，nh3流量从100-80l/min渐变减少至20-30l/min，反应时间控制为35s-45s,使nh3在高温下充分裂解，裂解的n原子附着在上述生长的n2气氛高温gan：mg层上，同时裂解的h元素随载气输送至尾管排出反应室。

步骤9、生长发光层8：

保持反应腔压力100torr至500torr、温度700℃至800℃，所用mo源为tega、tmin和sih4，生长掺杂in的厚度为2nm至5nm的量子阱层inyga(1-y)n，y＝0.1至0.3；

接着升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100torr至500torr，所用mo源为tega、tmin和sih4，生长厚度为8nm至15nm的垒层gan，垒层gan进行si掺杂，si掺杂浓度为8e16atoms/cm³至6e17atoms/cm³；

重复inyga(1-y)n的生长，然后重复gan的生长，交替生长inyga(1-y)n/gan发光层8，控制周期数为5至15个。

步骤10、生长p型algan层9：

保持反应腔压力20torr至200torr、温度900℃至1100℃，通入mo源为tmal、tmga和cp2mg，持续生长厚度为50nm至200nm的p型algan层9，生长时间为3min至10min，al的摩尔组分为10％至30％，mg掺杂浓度1e18atoms/cm³-1e21atoms/cm³。

步骤11、生长p型gan层10：

保持反应腔压力100torr至500torr、温度850℃至1000℃，通入mo源为tmga和cp2mg，持续生长厚度为100nm至800nm的p型gan层10，mg掺杂浓度1e18atoms/cm³-1e21atoms/cm³。

步骤12、生长p型gan接触层11：

保持反应腔压力100torr至500torr、温度850℃至1050℃，通入mo源为tega和cp2mg，持续生长厚度为5nm至20nm的掺杂mg的p型gan接触层11，mg掺杂浓度1e19atoms/cm³-1e22atoms/cm³。

步骤13、降温冷却：

外延生长结束后，将反应时的温度降至650℃至800℃，采用纯n2氛围进行退火处理5min至10min，然后降至室温，结束生长。

实施例2

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，图2为对比实施例中led外延层的结构示意图。

常规led外延的生长方法为(外延层结构参见图2)：

1、将蓝宝石衬底1在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃至1150℃。

2、降低温度至500℃至620℃，保持反应腔压力400torr至650torr，通入nh3和tmga，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm至40nm的低温成核层gan2。

3、停止通入tmga，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃至1100℃，退火时间为5min至10min；退火之后，将温度调节至900℃至1050℃，继续通入tmga，外延生长厚度为0.2μm至1μm的高温gan缓冲层3，生长压力控制在400torr-650torr。

4、保升高温度到1050℃至1200℃，保持反应腔压力100torr-500torr，通入nh3和tmga，持续生长厚度为1μm至3μm的非掺杂u-gan层4。

5、保持反应腔温度为1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100torr-600torr，通入nh3、tmga和sih4，持续生长一层掺杂浓度稳定的、厚度为2μm至4μm掺杂si的n-gan层12，其中，si掺杂浓度为8e18atoms/cm³-2e19atoms/cm³。

6、保持反应腔压力100torr至500torr、温度700℃至800℃，所用mo源为tega、tmin和sih4，生长掺杂in的厚度为2nm至5nm的量子阱层inyga(1-y)n，y＝0.1至0.3；

接着升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100torr至500torr，所用mo源为tega、tmin和sih4，生长厚度为8nm至15nm的垒层gan，垒层gan进行si掺杂，si掺杂浓度为8e16atoms/cm³至6e17atoms/cm³；

重复inyga(1-y)n的生长，然后重复gan的生长，交替生长inyga(1-y)n/gan发光层8，控制周期数为5至15个。

7、保持反应腔压力20torr至200torr、温度900℃至1100℃，通入mo源为tmal、tmga和cp2mg，持续生长厚度为50nm至200nm的p型algan层9，生长时间为3min至10min，al的摩尔组分为10％至30％，mg掺杂浓度1e18atoms/cm³-1e21atoms/cm³。

8、保持反应腔压力100torr至500torr、温度850℃至1000℃，通入mo源为tmga和cp2mg，持续生长厚度为100nm至800nm的p型gan层10，mg掺杂浓度1e18atoms/cm³-1e21atoms/cm³。

9、保持反应腔压力100torr至500torr、温度850℃至1050℃，通入mo源为tega和cp2mg，持续生长厚度为5nm至20nm的掺杂mg的p型gan接触层11，mg掺杂浓度1e19atoms/cm³-1e22atoms/cm³。

10、外延生长结束后，将反应时的温度降至650℃至800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min至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。

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把传统的n型gan层设计为n2和h2混合气氛低温alingan：zn层、h2气氛中温ingan：si层和n2气氛高温gan：mg层结构，并引入nh3裂解工艺，其它外延生长条件完全一样。

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70nm，相同的条件下镀保护层sio2约30nm，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的光电性能。在同一台led点测机在驱动电流350ma条件下测试样品1和样品2的光电性能，参见表1。表1为样品1和样品2的led测试机光电测试数据。

表1样品1和样品2led测试机光电测试数据

将积分球获得的数据进行分析对比，从表1数据得出样品2较样品1亮度从488mw增加至545mw，样品2较样品1驱动电压从3.32v降低至3.02v。抗静电4kv能力从88.4％提高至94.8％。

此外，对1000片样品1和1000片样品2的研磨破片情况进行统计发现，样品1破片36片，样品2破片17片，即样品1破片率为3.6％，而样品2的破片率为1.7％，说明本发明提供的led外延生长方法能够明显减少外延片翘曲度，有效降低破片率，提高产品良率。因此可得出以下结论：

本专利提供的生长方法提高了led芯片的亮度，增强了抗静电能力，降低了驱动电压，并减少外延片翘曲度，改善外延片外观，有效降低破片率，提高产品良率。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

第一、本发明led外延生长方法，与传统方法相比，把传统的n型gan层，设计为n2和h2混合气氛低温alingan：zn层、h2气氛中温ingan：si层和n2气氛高温gan：mg层结构，目的是在最靠近量子阱的区域，先通过生长n2和h2混合气氛低温alingan：zn层，能提供较多空穴进入量子阱区域，同时n2和h2混合气氛下，原子较难达到衬底表面反应，横向生长受到抑制，能形成较粗的界面，更有利于量子阱的反射出光。接着生长h2气氛中温ingan：si层，加快横向生长，并填补低温n2和h2气氛生长的pits缺陷。最后通过生长高温gan：mg层，可以有效提升空穴浓度，并使得电子向p型泄露的难度逐渐增大，能更好的抑制电子泄露出量子阱发光区，还能有效推动空穴注入量子阱发光区，提升量子阱发光区的电子空穴对，增强发光辐射效率，提高led的发光效率。

第二、本发明led外延生长方法通过引入n2和h2混合气氛低温alingan：zn层、h2气氛中温ingan：si层和n2气氛高温gan：mg层结构，有利于消除大尺寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，能够显著增大外延膜材料应力控制的窗口，从而可以减少外延片翘曲，有利于提高gan外延片的合格率，并且提高了led发光效率和抗静电能力。

第三、本发明通过引入nh3裂解工艺，使n原子附着在生长的n2气氛高温gan：mg层上，同时裂解的h元素随载气输送至尾管排出反应室，外延层h元素显著减少，减少了mg-h浓度，在低h元素浓度环境下，此时mg元素较多的取代ga元素作为可电离mg元素进入gan晶格，可电离的mg元素浓度增加，空穴浓度较高，宏观上表现为器件驱动电压降低，发光效率提高。

第四、本发明通过在高温下对nh3进行裂解，同时控制温度渐变增加，可以起到对生长好的n2气氛高温gan：mg层的退火作用，促使其晶格在热作用下，得到新的规则排列，有利于获得整齐的外延层表面，能够改善外延片的外观。

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。