4英寸LED外延生长方法与流程

本发明涉及led技术领域，更具体地，涉及一种4英寸led外延生长方法。

背景技术：

led(lightemittingdiode，发光二极管)是一种固体照明，由于led具有体积小、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，并且大部分厂家生产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，如何生长更好的外延片日益受到重视。

现有的外延生长技术中普遍存在外延片翘曲大的问题，尤其在4英寸蓝宝石衬底上进行外延晶体生长时，由于晶格失配、铟的分布不均匀等问题，使得外延层晶体质量和光输出功率较低，导致外延片翘曲较大，产品良率以及发光效率较低。因此，需要研发一种4英寸led外延生长方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种4英寸led外延生长方法，引入了alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层，有利于消除4英寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了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。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

本申请提供一种4英寸led外延生长方法，其特征在于，包括：处理衬底、生长低温缓冲层、生长不掺杂gan层、生长掺杂si的n型gan层、生长alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层、生长有源层mow、生长p型algan层、生长掺镁的p型gan层、降温冷却；

其中，所述生长alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层，进一步为：

设置反应腔的生长温度为800℃-850℃，生长压力为300mbar-400mbar，向反应腔通入流量为70l/min-80l/min的nh3、150l/min-180l/min的sih4、110sccm-130sccm的tega、200sccm-240sccm的tmal源，在所述掺杂si的n型gan层上生长厚度为d1的n型掺杂alxga1-xn层，其中，在生长所述n型掺杂alxga1-xn层的过程中，si掺杂浓度每秒增加1e+16atoms/cm³，所述si掺杂浓度从2e+18atoms/cm³线性渐变增加为4e+18atoms/cm³；

降低所述生长温度至720℃-780℃，通入流量为80l/min-90l/min的nh3、300sccm-400sccm的tega以及tmin源，生长厚度为d2的无掺杂inyga1-yn层，其中，在生长厚度为d2的所述无掺杂inyga1-yn层的过程中，tmin的流量每秒增加2sccm，所述tmin的流量从2000sccm逐渐增加到2500sccm。

可选地，其中：

7.5nm≤d1≤8.5nm，d2＝15nm。

可选地，其中：

0.025≤x≤0.035，0.03≤y≤0.04。

可选地，其中：

所述生长低温缓冲层，进一步为：

降温至550℃-650℃，保持所述反应腔压力400mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm的所述nh3、50sccm-100sccm的tmga、100l/min-130l/min的所述h2，生长厚度为20nm-50nm的低温缓冲层。

可选地，其中：

所述生长不掺杂gan层，进一步为：

升温到1000℃-1200℃，保持所述反应腔压力150mbar-300mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的所述nh3、200sccm-400sccm的所述tmga、100l/min-130l/min的所述h2、在所述低温缓冲层上持续生长2μm-4μm的不掺杂gan层。

可选地，其中：

所述生长掺杂si的n型gan层，进一步为：

保持所述反应腔压力150mbar-300mbar，保持温度1000℃-1100℃，通入流量为40l/min-60l/min的所述nh3、200sccm-300sccm的所述tmga、50l/min-90l/min的所述h2及20sccm-50sccm的所述sih4，在所述不掺杂gan层上持续生长2μm-4μm掺杂si的n型gan层，所述si掺杂浓度为5e+18atoms/cm³-1e+19atoms/cm³。

可选地，其中：

所述生长有源层mow，进一步为：

保持所述反应腔压力300mbar-400mbar，设置所述温度为700℃-750℃，通入50000sccm-60000sccm的所述nh3、100sccm-150sccm的所述tega、以及tmin，所述tmin的流量每秒增加25sccm-52sccm，从150sccm-170sccm逐渐增加到1500sccm-1700sccm，在所述inyga1-yn层上生长30s-50s的inzga1-zn，生长厚度为3nm，z的范围为0.015-0.25，in掺杂浓度每秒增加4e+17atoms/cm³-7e+17atoms/cm³，从1e+19atoms/cm³渐变为3e+19atoms/cm³；

升高所述温度至800℃-850℃，保持所述反应腔压力300mbar-400mbar，通入50000sccm-60000sccm的所述nh3、400sccm-500sccm的所述tega，生长10nm的gan层，所述inzga1-zn层和所述gan层的周期数为10-15。

可选地，其中：

所述生长p型algan层，进一步为：

升高所述温度至900℃-1000℃，保持所述反应腔压力200mbar-400mbar，在所述有源层mqw上持续生长20nm-50nm的p型algan层，al掺杂浓度为1e+20atoms/cm³-3e+20atoms/cm³，mg掺杂浓度为5e+18atoms/cm³-1e+19atoms/cm³。

可选地，其中：

所述生长掺镁的p型gan层，进一步为：

维持所述温度930℃-950℃，保持所述反应腔压力200mbar-600mbar，在所述p型algan层上持续生长100nm-300nm的掺镁的p型gan层，mg掺杂浓度1e+19atoms/cm³-1e+20atoms/cm³。

与现有技术相比，本发明提供的一种4英寸led外延生长方法，至少实现了如下的有益效果：

(1)本发明所提供的一种4英寸led外延生长方法，通过引入alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层，有利于消除4英寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了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。

(2)本发明所提供的一种4英寸led外延生长方法，生长alxga1-xn的过程中通过控制si掺杂浓度规律性渐变，可以提高si的掺杂效率以及该层的结晶质量，并阻挡前期晶格失配产生缺陷的向上延伸，从而降低位错密度，提高整个外延层晶体质量，使led亮度、漏电、抗静电等性能得到改善。

(3)本发明所提供的一种4英寸led外延生长方法，生长inyga1-yn层得过程中通过控制tmin的流量规律性渐变增加，能够很好的抑制氮化铟的解离速率，同时还可以改善铟的分布不均匀性，从而改善led发光器件的外量子效率，增加光输出功率。

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是现有技术中led外延层的结构示意图；

图2是本申请实施例所提供的一种4英寸led外延生长方法的一种流程图；

图3是本申请实施例中led外延层的一种结构示意图。

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。

led(lightemittingdiode，发光二极管)是一种固体照明，由于led具有体积小、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，并且大部分厂家生产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，如何生长更好的外延片日益受到重视。

现有的外延生长技术中普遍存在外延片翘曲大的问题，尤其在4英寸蓝宝石衬底上进行外延晶体生长时，由于晶格失配、铟的分布不均匀等问题，使得外延层晶体质量和光输出功率较低，导致外延片翘曲较大，产品良率以及发光效率较低。因此，需要研发一种4英寸led外延生长方法。

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种4英寸led外延生长方法，引入了alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层，有利于消除4英寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了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。

以下结合附图和具体实施例进行详细说明。

实施例1

图1所示为现有技术中led外延层100的一种结构示意图，现有技术中led外延层100包括：衬底1，低温缓冲层2，不掺杂gan层3，掺杂si的n型gan层4，有源层mow5，p型algan层6，掺镁的p型gan层7；其中，有源层mow5包括iny1ga(1-y1)n层51和gan层52。

图2所示为本申请实施例所提供的一种4英寸led外延生长方法的一种流程图，图3所示为本申请实施例中led外延层200的一种结构示意图，请参见图2和图3，本申请实施例提供一种4英寸led外延生长方法，包括：

步骤101，处理衬底10；

步骤102，生长低温缓冲层20；

步骤103，生长不掺杂gan层30；

步骤104，生长掺杂si的n型gan层40；

步骤105，生长alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层50；

步骤106，生长有源层mow60；

步骤107，生长p型algan层70；

步骤108，生长掺镁的p型gan层80；

步骤109，降温冷却。

本申请的改进点在于加入了步骤105，生长alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层50，进一步为：

设置反应腔的生长温度为800℃-850℃，生长压力为300mbar-400mbar，向反应腔通入流量为70l/min-80l/min的nh3、150l/min-180l/min的sih4、110sccm-130sccm的tega、200sccm-240sccm的tmal源，在掺杂si的n型gan层40上生长厚度为d1的n型掺杂alxga1-xn层501，其中，在生长n型掺杂alxga1-xn层501的过程中，si掺杂浓度每秒增加1e+16atoms/cm³，si掺杂浓度从2e+18atoms/cm³线性渐变增加为4e+18atoms/cm³；

降低生长温度至720℃-780℃，通入流量为80l/min-90l/min的nh3、300sccm-400sccm的tega以及tmin源，生长厚度为d2的无掺杂inyga1-yn层502，其中，在生长厚度为d2的无掺杂inyga1-yn层502的过程中，tmin的流量每秒增加2sccm，tmin的流量从2000sccm逐渐增加到2500sccm。

具体地，本申请实施例所提供的一种4英寸led外延生长方法中，通过步骤105在掺杂si的n型gan层40上生长n型掺杂alxga1-xn层501，生长n型掺杂alxga1-xn层501的过程中将反应腔的生长温度设置为800℃-850℃，生长压力设置为300mbar-400mbar。并分别向反应腔内通入nh3、sih4、tega以及tmal源，向反应腔通入nh3的流量为70l/min-80l/min、通入sih4的流量为150l/min-180l/min、通入tega的流量为110sccm-130sccm、通入tmal源的流量为200sccm-240sccm，n型掺杂alxga1-xn层501的生长厚度为d1。需要说明的是，在生长n型掺杂alxga1-xn层501的过程中，si的掺杂浓度以线性渐变的方式增加，每秒增加1e+16atoms/cm³，从2e+18atoms/cm³线性渐变增加为4e+18atoms/cm³。n型掺杂alxga1-xn层501生长完成之后，在生成的n型掺杂alxga1-xn层501上生长无掺杂inyga1-yn层502，生长无掺杂inyga1-yn层502的过程中将生长温度降低至720℃-780℃。再次向反应腔内通入nh3、tega以及tmal源，通入nh3的流量为80l/min-90l/min、通入tega的流量为300sccm-400sccm，无掺杂inyga1-yn层502的生长厚度为d2。需要说明的是，在生长无掺杂inyga1-yn层502的过程中，tmin的流量从2000sccm逐渐增加到2500sccm，tmin的流量每秒增加2sccm。

本申请实施例所提供的一种4英寸led外延生长方法，通过引入alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层50，有利于消除4英寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了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。生长alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层50包括生长alxga1-xn层501和生长inyga1-yn层502，生长alxga1-xn层501的过程中通过控制si掺杂浓度规律性渐变，可以提高si的掺杂效率以及该层的结晶质量，并阻挡前期晶格失配产生缺陷的向上延伸，从而降低位错密度，提高整个外延层晶体质量，使led亮度、漏电、抗静电等性能得到改善。生长inyga1-yn层502的过程中通过控制tmin的流量规律性渐变增加，能够很好的抑制氮化铟的解离速率，同时还可以改善铟的分布不均匀性，从而改善led发光器件的外量子效率，增加光输出功率。

可选地，上述步骤105中，7.5nm≤d1≤8.5nm，d2＝15nm，当d1<7.5nm时，会导致电子能够占据的能态变少，从而使得led内量子效率降低。当d1>8.5nm时，会导致在生长的过程中结晶质量变差，并且使得外延片外观情况会降低，裂纹比例提高，降低外延片的可靠性。因此，本申请将d1的范围设计为7.5nm≤d1≤8.5nm时，有利于提高led的内量子效率，易于获得较高的结晶质量，并改善外延片外观情况，提高外延片可靠性。另外，当d2＝15nm时，有利于减少外延层之间的晶格失配度，减少应力，减少翘曲。。具体地，n型掺杂alxga1-xn层501的生长厚度d1可以为7.5nm-8.5nm中的任意一个值，例如d1的值可以为7.7nm，也可以为8nm，本申请对此不进行具体限定。

可选地，上述步骤105中，0.025≤x≤0.035，0.03≤y≤0.04，当x＜0.025时，会导致外延材料内部的极化效应增大，外延层结晶质量变差。x＞0.035时，algan材料与衬底之间的晶格失配度逐渐增加，会直接导致过大的应力，使外延片翘曲增大。因此，将x范围设计为0.025-0.035，可以提高外延层结晶质量，减少应力，减少翘曲。当y＜0.03时，会导致严重的电子溢流现象，并且会直接导致过大的应力，使外延片翘曲增大。y＞0.04时，容易导致电子和空穴对发生空间分离，使得波函数交迭降低，从而降低外延薄膜发光效率。因此，将y范围设计为0.03-0.04可以提高led的发光效率，并有利于降低翘曲。具体地，x的值可以为0.025-0.035范围内的任意一个值，例如可以为0.026，也可以为0.030，本申请对此不进行具体限定；y的值可以为0.03-0.04范围内的任意一个值，例如可以为0.031，也可以为0.034等等，本申请对此不进行具体限定。

可选地，上述步骤101中，处理衬底10进一步为：在1000-1200℃，反应腔压力维持在100-150mbar的氢气气氛下高温处理4英寸蓝宝石衬底5-10分钟。

可选地，上述步骤102中，生长低温缓冲层20，进一步为：

将温度降低到550℃-650℃，保持反应腔压力为400mbar-600mbar，分别通入nh3、tmga和h2生长低温缓冲层20。需要说明的是，通入nh3的流量为10000sccm-20000sccm，通入tmga的流量为50sccm-100sccm，通入h2的流量为100l/min-130l/min，低温缓冲层20的生长厚度为20nm-50nm。

可选地，上述步骤103中，生长不掺杂gan层30，进一步为：

将温度升高到1000℃-1200℃，保持反应腔压力150mbar-300mbar，分别通入nh3、tmga和h2，在低温缓冲层20上持续生长不掺杂gan层30。需要说明的是，通入nh3的流量为30000sccm-40000sccm，通入tmga的流量为200sccm-400sccm，通入h2的流量为100l/min-130l/min，不掺杂gan层30的生长厚度为2μm-4μm。

可选地，上述步骤104中，生长掺杂si的n型gan层40，进一步为：

保持反应腔压力150mbar-300mbar，保持温度1000℃-1100℃，通入流量为40l/min-60l/min的nh3、200sccm-300sccm的tmga、50l/min-90l/min的h2及20sccm-50sccm的sih4，在不掺杂gan层30上持续生长2μm-4μm掺杂si的n型gan层40，si掺杂浓度为5e+18atoms/cm3-1e+19atoms/cm3。

可选地，上述步骤106中，生长有源层mow60，进一步为：

保持反应腔压力300mbar-400mbar，设置温度为700℃-750℃，通入50000sccm-60000sccm的nh3、100sccm-150sccm的tega、以及tmin，tmin的流量每秒增加25sccm-52sccm，从150sccm-170sccm逐渐增加到1500sccm-1700sccm，在上述inyga1-yn层502上生长30s-50s的inzga1-zn层601，生长厚度为3nm，z的范围为0.015-0.25，in掺杂浓度每秒增加4e+17atoms/cm3-7e+17atoms/cm3，从1e+19atoms/cm3渐变为3e+19atoms/cm3；渐变增加的方式有利于提高in的掺杂效率，还有利于在氮化铟镓层中形成富铟区域，使载流子容易被这些富铟区域捕获，产生辐射复合，从而提高发光效率。升高温度至800℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入50000sccm-60000sccm的nh3、400sccm-500sccm的tega，生长10nm的gan层602，inyga1-yn层601和gan层602的周期数为10-15。

可选地，上述步骤107中，生长p型algan层70，进一步为：

升高温度至900℃-1000℃，保持反应腔压力200mbar-400mbar，在有源层mqw60上持续生长20nm-50nm的p型algan层70，al掺杂浓度为1e+20atoms/cm3-3e+20atoms/cm3，mg掺杂浓度为5e+18atoms/cm3-1e+19atoms/cm3。

可选地，上述步骤108中，生长掺镁的p型gan层80，进一步为：

维持温度930℃-950℃，保持反应腔压力200mbar-600mbar，在p型algan层70上持续生长100nm-300nm的掺镁的p型gan层80，mg掺杂浓度1e+19atoms/cm3-1e+20atoms/cm3。

可选地，上述步骤109中，降温冷却进一步为：降温至700-800℃，保温20-30min，关闭加热系统，关闭给气系统，炉内冷却。

利用上述方法所形成的led外延层200结构请参见图3，该led外延层200包括：衬底10，低温缓冲层20，不掺杂gan层30，掺杂si的n型gan层40，alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层50，有源层mow60，p型algan层70，掺镁的p型gan层80；其中，n型alxga1-xn层50包括n型重掺杂alx1ga1-x1n层501、n型中掺杂alx2ga1-x2n层502和n型轻掺杂alx3ga1-x3n层503；有源层mow60包括iny1ga(1-y1)n层601和gan层602。本申请实施例的led外延层200中，通过引入alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层，有利于消除4英寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了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。

实施例2

现有技术中led外延层生长方法包括：处理衬底1，生长低温缓冲层2，生长不掺杂gan层3，生长掺杂si的n型gan层4，生长有源层mow5，生长p型algan层6，生长掺镁的p型gan层7，外延层结构请参见图1。本申请实施例在现有技术的基础上加入了alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层50。在本实施例中，根据现有技术中的led外延生长方法制备1000片样品1，根据本申请的led外延生长方法制备1000片样品2。样品生长完后任意挑选样品1和样品2各4片，在相同的条件下测试外延片的xrd102面，请参见表1，表1所示为样品1和样品2外延xrd测试数据。任意挑选样品1和样品2各8片，在相同的条件下测试外延片的翘曲度bow值，请参见表2，表2所示为样品1和样品2外延片翘曲度测试数据。样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ito层大约1500埃，相同的条件下镀cr/pt/au电极大约2500埃，相同的条件下镀保护层sio2大约500埃，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，然后在相同位置从样品1和样品2中各自挑选100颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光led。进行光电性能测试：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，请参见表3，表3所示为样品1和样品2的光电性能测试数据。

表1样品1和样品2外延xrd测试数据

表2样品1和样品2外延片翘曲度数据

表3样品1和样品2led测试机光电测试数据

由表1可以得出，本发明提供的led外延生长方法制备的样品2的xrd102面数值变小，说明本发明提供的led外延生长方法制作的外延晶体的质量变好。

由表2可以得出，本发明提供的led外延生长方法制备的外延片的翘曲度明显变小。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20片，即样品1破片率为3.6％，而样品2的破片率为2.0％，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。

由表3可以得出，本发明提供的led外延生长方法制备的样品2的亮度高、电压低、抗静电能力好，并且样品2的半高宽小于样品1的半高宽，说明本发明提供的led外延生长方法制备的led波长均匀性更好，波长更集中，光电性能更好。

通过上述实施例可知，本发明提供的一种4英寸led外延生长方法，至少实现了如下的有益效果：

(1)本发明所提供的一种4英寸led外延生长方法，通过引入alxga1-xn/inyga1-yn超晶格层，有利于消除4英寸蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了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。

(2)本发明所提供的一种4英寸led外延生长方法，生长alxga1-xn的过程中通过控制si掺杂浓度规律性渐变，可以提高si的掺杂效率以及该层的结晶质量，并阻挡前期晶格失配产生缺陷的向上延伸，从而降低位错密度，提高整个外延层晶体质量，使led亮度、漏电、抗静电等性能得到改善。

(3)本发明所提供的一种4英寸led外延生长方法，生长inyga1-yn层得过程中通过控制tmin的流量规律性渐变增加，能够很好的抑制氮化铟的解离速率，同时还可以改善铟的分布不均匀性，从而改善led发光器件的外量子效率，增加光输出功率。

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。