提高光效的LED外延生长方法与流程

本申请涉及LED外延设计应用技术领域，具体地说，涉及一种提高光效的LED外延生长方法。

背景技术：

目前LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固体照明，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；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。

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。高光效意味着光功率高、驱动电压低，但光功率一定程度上受到P层空穴浓度的限制，驱动电压一定程度上受到P层空穴迁移率的限制，注入的空穴浓度增加，发光层空穴和电子的复合效率增加，高光功率增加，P层空穴迁移率增加驱动电压才能降低。

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提高光效的LED外延生长方法，把传统的P型GaN层，设计为Mg浓度高低掺杂生长的超晶格结构，目的是通过先提高Mg浓度，提供较多空穴，又通过降低Mg浓度，提高材料结晶质量，提高空穴迁移率，通过交替超晶格生长，从而提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

一种提高光效的LED外延生长方法，其特征在于，依次包括：处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温缓冲层GaN、生长非掺杂u-GaN层、生长掺杂Si的n-GaN层、生长发光层、生长p型AlGaN层、生长高温p型GaN层、生长p型GaN接触层、降温冷却，

所述生长高温p型GaN层，具体为：

将TMGa和CP₂Mg作为MO源，保持反应腔压力为100Torr-500Torr，生长温度为850℃-1000℃，

先通入流量为0sccm-200sccm的CP₂Mg，生长厚度为2nm-10nm的第一GaN:Mg层；

再通入流量为200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生长厚度为2nm-10nm的第二GaN:Mg层；

反复生长所述第一GaN:Mg层和所述第二GaN:Mg层，生长周期为2-50，所述第一GaN:Mg层和所述第二GaN:Mg层的总厚度为40nm-200nm，其中，Mg掺杂浓度为10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

优选地，其中：

所述生长低温GaN成核层，具体为：将温度下降到500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反应腔压力400Torr-650Torr，生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层。

优选地，其中：

所述生长高温缓冲层GaN，具体为：

低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；

退火之后，将温度调节至900℃-1050℃，保持反应腔压力400Torr-650Torr，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温缓冲层GaN。

优选地，其中：

所述生长非掺杂u-GaN层，具体为：

高温缓冲层GaN生长结束后，通入NH₃和TMGa，保持温度为1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层。

优选地，其中：

所述生长掺杂Si的N型GaN层，具体为：

高温非掺杂u-GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，厚度为2μm-4μm，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长发光层，具体为：

掺杂Si的n-GaN层生长结束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作为MO源，生长5-15个周期的In_yGa_1-y/GaN阱垒结构，其中，

量子阱In_yGa_1-y(y＝0.1-0.3)层的厚度为2nm-5nm，生长温度为700℃-800℃，生长压力为100Torr-500Torr，

垒层GaN的厚度为8nm-15nm，生长温度为800℃-950℃，生长压力为100Torr-500Torr，垒层中Si的掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长p型AlGaN层，具体为：

保持反应腔压力20Torr-200Torr、生长温度900℃-1100℃，生长时间为3min-10min，通入TMAl、TMGa和Cp₂Mg作为MO源，持续生长厚度为50nm-200nm的p型AlGaN层，其中，Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

优选地，其中：

所述生长p型GaN接触层，具体为：

保持反应腔压力100Torr-500Torr、生长温度850℃-1050℃，通入TEGa和Cp₂Mg作为MO源，持续生长5nm-20nm的p型GaN接触层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³。

优选地，其中：

所述降温冷却，具体为：

将反应室的温度降至650℃-800℃，采用纯N₂氛围进行退火处理5min-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：

本发明提高光效的LED外延生长方法，与传统方法相比，把传统的P型GaN层，设计为Mg浓度高低生长的超晶格结构，目的是通过先提高Mg浓度，提供较多空穴，又通过降低Mg浓度，提高材料结晶质量，提高空穴迁移率，通过交替超晶格生长，从而提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，进而提高LED的发光效率。

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为本发明提高光效的LED外延生长方法的流程图；

图2为本发明中LED外延层的结构示意图；

图3为对比实施例中LED外延层的结构示意图；

图4为30mil*30mil芯片亮度分布图；

图5为30mil*30mil芯片电压分布图；

其中，1、基板，2、缓冲层GaN，3、U型GaN层，4、n型GaN层，5、量子阱发光层，6、p型AlGaN层，7、Mg浓度高低生长的高温P型GaN层，7.1、高Mg浓度GaN层，7.2、低Mg浓度GaN层，8、Mg:GaN接触层，9、普通高温P型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。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。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VEECO 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(纯度99.999％)的混合气体作为载气，高纯NH₃(纯度99.999％)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(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(001)面蓝宝石，反应压力在100Torr到1000Torr之间。具体生长方式如下：

一种提高光效的LED外延生长方法，参见图1，依次包括：处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温缓冲层GaN、生长非掺杂u-GaN层、生长掺杂Si的n-GaN层、生长发光层、生长p型AlGaN层、生长高温p型GaN层、生长p型GaN接触层、降温冷却，

所述生长高温p型GaN层，具体为：

将TMGa和CP₂Mg作为MO源，保持反应腔压力为100Torr-500Torr，生长温度为850℃-1000℃，

先通入流量为0sccm-200sccm的CP₂Mg，生长厚度为2nm-10nm的第一GaN:Mg层；

再通入流量为200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生长厚度为2nm-10nm的第二GaN:Mg层；

反复生长所述第一GaN:Mg层和所述第二GaN:Mg层，生长周期为2-50，所述第一GaN:Mg层和所述第二GaN:Mg层的总厚度为40nm-200nm，其中，Mg掺杂浓度为10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

本发明提高光效的LED外延生长方法，与传统方法相比，把传统的P型GaN层，设计为Mg浓度高低生长的超晶格结构，先通入高流量(流量为0sccm-200sccm)的CP₂Mg生长第一GaN:Mg层，再通入低流量(流量为200sccm-1000sccm)的CP₂Mg生长第二GaN:Mg层，第一GaN:Mg层的浓度高，第二GaN:Mg层的浓度低，目的是通过先提高Mg浓度，提供较多空穴，又通过降低Mg浓度，提高材料结晶质量，提高空穴迁移率，通过交替超晶格生长，从而提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，进而提高LED的发光效率。

实施例2

以下提供本发明的提高光效的LED外延生长方法的应用实施例，其外延结构参见图2，生长方法参见图1。采用高纯H₂或高纯N₂或高纯H₂和高纯N₂(纯度99.999％)的混合气体作为载气，高纯NH₃(纯度99.999％)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(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(001)面蓝宝石，反应压力在100Torr到1000Torr之间。具体生长方式如下：

步骤101、处理衬底：

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

步骤102、生长低温GaN成核层：

将温度下降到500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反应腔压力400Torr-650Torr，生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层。

步骤103、生长高温缓冲层GaN：

低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；

退火之后，将温度调节至900℃-1050℃，保持反应腔压力400Torr-650Torr，继续通入TMGa、外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温缓冲层GaN。

步骤104、生长非掺杂u-GaN层：

高温缓冲层GaN生长结束后，通入NH₃和TMGa，保持温度为1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层。

步骤105、生长掺杂Si的n-GaN层：

高温非掺杂u-GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，厚度为2μm-4μm，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

步骤106、生长量子阱MQW发光层：

掺杂Si的n-GaN层生长结束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作为MO源，生长5-15个周期的In_yGa_1-y/GaN阱垒结构，其中，

量子阱In_yGa_1-y(y＝0.1-0.3)层的厚度为2nm-5nm，生长温度为700℃-800℃，生长压力为100Torr-500Torr，

垒层GaN的厚度为8nm-15nm，生长温度为800℃-950℃，生长压力为100Torr-500Torr，垒层中Si的掺杂浓度为8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³。

步骤107、生长p型AlGaN层：

保持反应腔压力20Torr-200Torr、生长温度900℃-1100℃，生长时间为3min-10min，通入TMAl、TMGa和Cp₂Mg作为MO源，持续生长厚度为50nm-200nm的p型AlGaN层，其中，Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

步骤108、生长高温p型GaN层：

P型AlGaN层生长结束后，将TMGa和CP₂Mg作为MO源，保持反应腔压力为100Torr-500Torr，生长温度为850℃-1000℃，

先通入流量为0sccm-200sccm的CP₂Mg，生长厚度为2nm-10nm的第一GaN:Mg层；

再通入流量为200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生长厚度为2nm-10nm的第二GaN:Mg层；

反复生长所述第一GaN:Mg层和所述第二GaN:Mg层，生长周期为2-50，所述第一GaN:Mg层和所述第二GaN:Mg层的总厚度为40nm-200nm，其中，Mg掺杂浓度为10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

步骤109、生长p型GaN接触层：

P型GaN层生长结束后，保持反应腔压力100Torr-500Torr、生长温度850℃-1050℃，通入TEGa和Cp₂Mg作为MO源，持续生长5nm-20nm的p型GaN接触层，即Mg:GaN，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³。

步骤110、降温冷却：

外延生长结束后，将反应室的温度降至650℃-800℃，采用纯N₂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。

本申请的上述步骤108中，将传统的p型GaN层设计为Mg浓度高低生长的超晶格结构，目的是通过先提高Mg浓度，提供较多空穴，又通过降低Mg浓度，提高材料结晶质量，提高空穴迁移率，通过交替超晶格生长，从而提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。

实施例3

以下提供一种常规的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3)：

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

2、将温度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生长20-40nm厚的低温GaN成核层，生长压力为400-650Torr。

3、低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000-1100℃，退火时间为5-10min；退火之后，将温度调节至900-1050℃，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2-1um间的高温GaN缓冲层，生长压力为400-650Torr。

4、高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH₃和TMGa，生长厚度为1-3um非掺杂的u-GaN层，生长过程温度为1050-1200℃，生长压力为100-500Torr。

5、高温非掺杂GaN层生长结束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，厚度为2-4um，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Si掺杂浓度为8*10¹⁸-2*10¹⁹cm^-3。

6、n-GaN生长结束后,生长多周期量子阱MQW发光层，所用MO源为TEGa、TMIn及SiH₄。发光层多量子阱由5-15个周期的In_yGa_1-yN/GaN阱垒结构组成，其中量子阱In_yGa_1-yN(y＝0.1-0.3)层的厚度为2-5nm，生长温度为700-800℃，生长压力为100-500Torr；其中垒层GaN的厚度为8-15nm，生长温度为800-950℃，生长压力为100-500Torr，垒层GaN进行低浓度Si掺杂，Si掺杂浓度为8*10¹⁶-6*10¹⁷cm^-3。

7、多周期量子阱MQW发光层生长结束后，生长厚度为50-200nm的p型AlGaN层，所用MO源为TMAl，TMGa和CP₂Mg。生长温度为900-1100℃，生长时间为3-10min，压力在20-200Torr，p型AlGaN层的Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为10¹⁸-10²¹cm^-3。

8、p型AlGaN层生长结束后，生长高温p型GaN层，所用MO源为TMGa和CP₂Mg。生长厚度为100-800nm，生长温度为850-1000℃，生长压力为100-500Torr，Mg掺杂浓度为10¹⁸-10²¹cm^-3。

9、P型GaN层生长结束后，生长厚度为5-20nm的p型GaN接触层，即Mg:GaN，所用MO源为TEGa和CP₂Mg。生长温度为850-1050℃，生长压力为100-500Torr，Mg掺杂浓度为10¹⁹-10²²cm^-3。

10、外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，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本发明把传统的P型GaN层，设计为Mg浓度高低掺杂生长的超晶格结构，其它外延层生长条件完全一样，参见表1。

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。

表1为样品1和样品2生长参数对比表。样品1为传统生长方式，生长单层p型GaN层；样品2为本专利生长方式，将传统p型GaN层改为10个周期的Mg浓度高低掺杂的超晶格层。

表1生长参数对比

将积分球获得的数据进行分析对比，请参考图4和图5，从图4数据可看出，样品2较样品1亮度从500mw左右增加至515mw左右，从图5数据可看出，样品2较样品1驱动电压从3.325V降低至3.275V左右。实验数据证明了本专利的方案提高了大尺寸芯片的亮度并降低了驱动电压。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

本发明提高光效的LED外延生长方法，与传统方法相比，把传统的P型GaN层，设计为Mg浓度高低生长的超晶格结构，目的是通过先提高Mg浓度，提供较多空穴，又通过降低Mg浓度，提高材料结晶质量，提高空穴迁移率，通过交替超晶格生长，从而提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，进而提高LED的发光效率。

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。