LED外延量子阱生长方法与流程

本发明属于led技术领域，具体涉及一种led外延量子阱生长方法。

背景技术：

发光二极管(light-emittingdiode，led)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当led有电流流过时，led中的电子与空穴在其多量子阱内复合而发出单色光。led作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低能耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性和色彩丰富等优点。目前国内生产led的规模正在逐步扩大，但是led仍然存在性能低下的问题，影响led的节能效果。

目前现有的led多量子阱的生长方法制备的led外延ingan/gan多量子阱材料质量不高，严重阻碍了led性能的提高，影响led的节能效果。

综上所述，急需研发新的led外延量子阱生长方法，解决现有led多量子阱材料生长质量不高的问题，从而提高led的性能。

技术实现要素：

本发明通过采用新的多量子阱层生长方法来提升量子阱材料质量，具体是提升外延片材料的晶格周期性以及材料界面特性，从而提高led的性能。

本发明的led外延量子阱生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温gan缓冲层、生长非掺杂gan层、生长掺杂si的n型gan层、生长多量子阱层、生长algan电子阻挡层、生长掺杂mg的p型gan层和降温冷却；其中生长多量子阱层依次包括：掺in预处理、生长ingan阱层、ga2o3预生长、生长ga2o3层、退火处理、生长inxalymg(1-x-y-z)nz层以及生长gan垒层，具体步骤为：

a、将反应腔压力控制在200-280mbar，反应腔温度控制在700℃，通入nh3以及tmin，进行10-20秒掺in预处理，掺in预处理过程中控制温度从700℃均匀增加至760℃；

b、反应腔压力保持不变，升高反应腔温度至800-850℃，通入nh3、tmga以及tmin，生长厚度为3-5nm的ingan阱层；

c、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至660℃-680℃，通入nh3、tmga、o2以及n2，进行30-40秒ga2o3预生长，预生长过程中控制o原子摩尔含量从5％均匀增加至10％；

d、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至900℃-950℃，通入nh3、tmga、o2、以及n2，生长厚度为10-15nm的ga2o3层；

e、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至650℃-680℃，通入o2以及n2进行60-80s的退火处理，通入气体的流量比为n2:o2＝100:30sccm；

f、升高反应腔温度至850℃，反应腔压力升高至300mbar，通入nh3、tmin、cp2mg、tmal以及n2，生长10-15nm的inxalymg(1-x-y-z)nz层，x的取值范围为0.08-0.2，y的取值范围为0.15-0.40，z的取值范围为0.1-0.2，生长过程中控制mg的掺杂浓度先由2e21atom/cm³均匀减少至1e20atom/cm³，再由1e20atom/cm³均匀增加至1e22atom/cm³；

g、降低温度至700℃，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga及100-130l/min的n2，生长10nm的gan垒层；

重复上述步骤a-g，周期性依次进行掺in预处理、生长ingan阱层、ga2o3预生长、生长ga2o3层、退火处理、生长inxalymg(1-x-y-z)nz层以及生长gan垒层的步骤，周期数为2-12个。

优选地，所述处理衬底的具体过程为：

在1000℃-1100℃的温度下，通入100-130l/min的h2，保持反应腔压力100-300mbar，处理蓝宝石衬底5-10min。

优选地，所述生长低温gan缓冲层的具体过程为：

降温至500-600℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的nh3、50-100sccm的tmga及100-130l/min的h2，在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温gan缓冲层；

升高温度到1000-1100℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的nh3和100-130l/min的h2，保温300-500s，将低温gan缓冲层腐蚀成不规则岛形。

优选地，所述生长非掺杂gan层的具体过程为：

升高温度到1000-1200℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的nh3、200-400sccm的tmga及100-130l/min的h2，持续生长2-4μm的非掺杂gan层。

优选地，所述生长掺杂si的gan层的具体过程为：

保持反应腔压力300-600mbar，保持温度1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的nh3、200-400sccm的tmga、100-130l/min的h2及20-50sccm的sih4，持续生长3m-4μm掺杂si的n型gan层，其中，si掺杂浓度5e18-5e19atoms/cm³。

优选地，所述生长algan电子阻挡层的具体过程为：

在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入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，生长所述algan电子阻挡层，所述algan层的厚度为40-60nm，其中，mg掺杂的浓度为1e19-1e20atoms/cm³。

优选地，所述生长掺杂mg的p型gan层的具体过程为：

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及1000-3000sccm的cp2mg，持续生长50-200nm的掺杂mg的p型gan层，其中，mg掺杂浓度1e19-1e20atoms/cm³。

优选地，所述降温冷却的具体过程为：

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

相比于传统的生长方法，本发明中的led外延量子阱生长方法达到了如下效果：

1、在本发明的多量子阱层生长过程中，先进行掺in预处理，使得gan势垒表面粗糙，影响ingan势阱的生长，抑制ingan横向生长，促进ingan三维生长，从而增加ingan中的量子点数，从而提高led芯片的发光效率。掺in预处理过程中控制温度均匀增加，可以避免ingan生长过程中in原子聚集形成金属液滴，使in原子更多的去参与原子键和反应，能很有效的提升材料生长质量。

2、本发明的多量子阱层在生长ingan阱层后再生长ga2o3层，能增加量子阱有源区电子的数量，提高电子和空穴波函数的交叠积分，提高电子和空穴的复合效率，提高led的内量子效率。生长ga2o3层之前进行ga2o3层预生长，过程使o原子摩尔含量均匀增加，以提升后续生长ga2o3层的薄膜质量，并且可改变材料表面形貌，提高in原子的表面迁移率，改善光学质量，从而提高led的发光效率。通过退火处理，可以提高ga2o3层的光透过率，降低ga2o3层的电阻，从而更有利于扩展电流。

3、本发明的多量子阱层在生长gan垒层之前插入inxalymg(1-x-y-z)nz层，可以明显提升外延片材料的晶格周期性以及材料界面特性，从而提升led的性能。通过使mg的掺杂浓度先均匀减少再均匀增加，可以使得多量子阱中空穴和电子的分布中心轴重叠，提高电子向空穴跃迁的效率从而提高了led芯片的发光效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明方法制备的led外延的结构示意图；

图2为现有传统方法制备的led外延的结构示意图；

其中，1、蓝宝石衬底，2、低温gan缓冲层，3、非掺杂gan层，4、n型gan层，5、多量子阱层，6、algan电子阻挡层，7、p型gan层，51、ingan阱层，52、ga2o3层，53、inxalymg(1-x-y-z)nz层，54、gan垒层。

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。

另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

实施例1

本实施例采用本发明提供的led外延量子阱生长方法，采用mocvd来生长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)，反应压力在70mbar到600mbar之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图1)：

led外延量子阱生长方法，依次包括：处理蓝宝石衬底1、生长低温gan缓冲层2、生长非掺杂gan层3、生长掺杂si的n型gan层4、生长多量子阱层5、生长algan电子阻挡层6、生长掺杂mg的p型gan层7，降温冷却；其中，

步骤1：处理蓝宝石衬底1。

具体地，所述步骤1，进一步为：

在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130l/min的h2的条件下，处理蓝宝石衬底5-10分钟。

步骤2：生长低温gan缓冲层2，并在所述低温gan缓冲层2形成不规则小岛。

具体地，所述步骤2，进一步为：

在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的nh3、50-100sccm的tmga、100-130l/min的h2的条件下，在所述蓝宝石衬底1上生长所述低温gan缓冲层2，所述低温gan缓冲层2的厚度为20-40nm；

在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的nh3和100-130l/min的h2的条件下，保温300-500s，在所述低温gan缓冲层2上形成所述不规则小岛。

步骤3：生长非掺杂gan层3。

具体地，所述步骤3，进一步为：

在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的nh3、200-400sccm的tmga及100-130l/min的h2的条件下，生长的所述非掺杂gan层3；所述非掺杂gan层3的厚度为2-4μm。

步骤4：生长si掺杂的n型gan层4。

具体地，所述步骤4，进一步为：

保持反应腔压力300-600mbar，保持温度1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的nh3、200-400sccm的tmga、100-130l/min的h2及20-50sccm的sih4，持续生长3-4μm掺杂si的n型gan层4，其中，si掺杂浓度5e18-1e19atoms/cm³。

步骤5：生长多量子阱层5。

所述生长多量子阱层5，进一步为：

a、将反应腔压力控制在200-280mbar，反应腔温度控制在700℃，通入nh3以及tmin，进行10-20秒掺in预处理，掺in预处理过程中控制温度从700℃均匀增加至760℃；

b、反应腔压力保持不变，升高反应腔温度至800-850℃，通入nh3、tmga以及tmin，生长厚度为3-5nm的ingan阱层51；

c、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至660℃-680℃，通入nh3、tmga、o2以及n2，进行30-40秒ga2o3预生长，预生长过程中控制o原子摩尔含量从5％均匀增加至10％；

d、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至900℃-950℃，通入nh3、tmga、o2、以及n2，生长厚度为10-15nm的ga2o3层52；

e、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至650℃-680℃，通入o2以及n2进行60-80s的退火处理，通入气体的流量比为n2:o2＝100:30sccm；

f、升高反应腔温度至850℃，反应腔压力升高至300mbar，通入nh3、tmin、cp2mg、tmal以及n2，生长10-15nm的inxalymg(1-x-y-z)nz层53，x的取值范围为0.08-0.2，y的取值范围为0.15-0.40，z的取值范围为0.1-0.2，生长过程中控制mg的掺杂浓度先由2e21atom/cm³均匀减少至1e20atom/cm³，再由1e20atom/cm³均匀增加至1e22atom/cm³；

g、降低温度至700℃，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga及100-130l/min的n2，生长10nm的gan垒层54；

重复上述步骤a-g，周期性依次进行掺in预处理、生长ingan阱层51、ga2o3预生长、生长ga2o3层52、退火处理、生长inxalymg(1-x-y-z)nz层53以及生长gan垒层54的步骤，周期数为2-12个。

步骤6：生长algan电子阻挡层6。

具体地，所述步骤6，进一步为：

在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的nh3、30-60sccm的tmga、100-130l/min的h2、100-130sccm的tmal和1000-1300sccm的cp2mg的条件下，生长所述algan电子阻挡层6，所述algan层6的厚度为40-60nm，其中，mg掺杂的浓度为1e19-1e20atoms/cm³。

步骤7：生长掺杂mg的p型gan层7。

具体地，所述步骤7，进一步为：

在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga、100-130l/min的h2、1000-3000sccm的cp2mg的条件下，生长厚度为50-200nm的掺杂mg的p型gan层7，mg掺杂浓度1e19-1e20atoms/cm³。

步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

实施例2

以下提供对比实施例，即传统led外延结构的生长方法(外延结构请参考图2)。

步骤1：在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130l/min的h2的条件下，处理蓝宝石衬底5-10分钟。

步骤2：生长低温gan缓冲层2，并在所述低温gan缓冲层2形成不规则小岛。

具体地，所述步骤2，进一步为：

在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的nh3、50-100sccm的tmga、100-130l/min的h2的条件下，在所述蓝宝石衬底1上生长所述低温gan缓冲层2，所述低温gan缓冲层2的厚度为20-40nm；

在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的nh3、100-130l/min的h2的条件下，保温300-500s，在所述低温gan缓冲层2上形成所述不规则小岛。

步骤3：生长非掺杂gan层3。

具体地，所述步骤3，进一步为：

在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的nh3、200-400sccm的tmga及100-130l/min的h2的条件下，生长的所述非掺杂gan层；所述非掺杂gan层3的厚度为2-4μm。

步骤4：生长si掺杂的n型gan层4。

具体地，所述步骤4，进一步为：

在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-60000sccm的nh3、200-400sccm的tmga、100-130l/min的h2、20-50sccm的sih4的条件下，生长si掺杂的n型gan层4，所述n型gan层4的厚度为3-4μm，si掺杂的浓度为5e18-1e19atoms/cm³。

步骤5：生长ingan/gan多量子阱层5。

具体地，所述生长多量子阱层5，进一步为：

保持反应腔压力300-400mbar、保持温度720℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-40sccm的tmga、10000-15000sccm的tmin及100-130l/min的n2，生长掺杂in的厚度为3nm的ingan阱层51；

升高温度至800℃，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga及100-130l/min的n2，生长10nm的gan垒层54；

重复交替生长ingan阱层51和gan垒层54，得到ingan/gan多量子阱发光层，其中，ingan阱层51和gan垒层54的交替生长周期数为7-13个。

步骤6：生长algan电子阻挡层6。

具体地，所述步骤6，进一步为：

在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入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，生长所述algan电子阻挡层6，所述algan层6的厚度为40-60nm，其中，mg掺杂的浓度为1e19-1e20atoms/cm³。

步骤7：生长掺杂mg的p型gan层7。

具体地，所述步骤7，进一步为：

在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga、100-130l/min的h2、1000-3000sccm的cp2mg的条件下，生长厚度为50-200nm的掺杂mg的p型gan层7，mg掺杂浓度1e19-1e20atoms/cm³。

步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

根据上述实施例1和实施例2分别制得样品1和样品2，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，之后将样品1和样品2在相同位置各自挑选1000颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光led。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样品1和样品2的电性参数比较结果

将积分球获得的数据进行分析对比，从表1中可以看出，本发明提供的led外延量子阱生长方法制备的led(样品1)发光效率得到明显提升，并且电压、反向电压、漏电、抗静电能力等其它各项led电性参数变好，是因为本专利技术方案提升了外延片材料质量，从而提高led的发光效率，并改善其它led光电性能。

本发明中的led外延量子阱生长方法达到了如下效果：

1、在本发明的多量子阱层生长过程中，先进行掺in预处理，使得gan势垒表面粗糙，影响ingan势阱的生长，抑制ingan横向生长，促进ingan三维生长，从而增加ingan中的量子点数，从而提高led芯片的发光效率。掺in预处理过程中控制温度均匀增加，可以避免ingan生长过程中in原子聚集形成金属液滴，使in原子更多的去参与原子键和反应，能很有效的提升材料生长质量。

2、本发明的多量子阱层在生长ingan阱层后再生长ga2o3层，能增加量子阱有源区电子的数量，提高电子和空穴波函数的交叠积分，提高电子和空穴的复合效率，提高led的内量子效率。生长ga2o3层之前进行ga2o3层预生长，过程使o原子摩尔含量均匀增加，以提升后续生长ga2o3层的薄膜质量，并且可改变材料表面形貌，提高in原子的表面迁移率，改善光学质量，从而提高led的发光效率。通过退火处理，可以提高ga2o3层的光透过率，降低ga2o3层的电阻，从而更有利于扩展电流。

3、本发明的多量子阱层在生长gan垒层之前插入inxalymg(1-x-y-z)nz层，可以明显提升外延片材料的晶格周期性以及材料界面特性，从而提升led的性能。通过使mg的掺杂浓度先均匀减少再均匀增加，可以使得多量子阱中空穴和电子的分布中心轴重叠，提高电子向空穴跃迁的效率从而提高了led芯片的发光效率。

由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。

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，并能够在本文所述申请构想范围内，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。