一种提高氮化物LED电流扩展能力的外延生长方法与流程

本发明涉及led技术领域，具体涉及一种提高氮化物led电流扩展能力的外延生长方法。

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。传统的led在工作的时候，p层和n层电流分布不均匀，尤其在大电流密度(35a/cm²以上)注入的情况下，电流集边效应明显，电流集中的地方更容易出现发光效率下降现象，也更容易产生击穿短路等问题，从而降低led器件的发光效率、抗静电能力和使用寿命。目前，针对氮化物led的电流扩展问题，人们提出了很多解决办法，比如在led结构中加入algan或ingan插入层等，然而，电流扩展效果不够理想，还需进一步改善氮化物led的电流扩展性能。

综上所述，急需一种提高氮化物led电流扩展能力的外延生长方法，解决现有led发光效率低下及容易产生击穿短路等问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种提高氮化物led电流扩展能力的外延生长方法，具体技术方案如下：

一种提高氮化物led电流扩展能力的外延生长方法，包括生长石墨烯层的过程，具体是：

步骤1、处理衬底；

步骤2、在衬底上生长低温氮化物缓冲层以及在低温氮化物缓冲层上形成不规则小岛，所述低温氮化物缓冲层包括氮化镓、氮化铝或氮化铝镓中的至少一种；

步骤3、生长非掺杂氮化镓层；

步骤4、生长包含石墨烯层的掺杂硅的n型氮化镓层；

步骤5、生长发光层；

步骤6、生长包含石墨烯层的掺杂铝和镁的p型氮化铝镓层；

步骤7、生长掺杂镁的p型氮化镓层；

步骤8、在温度为650～680℃的条件下保温20～30min，关闭加热系统和给气系统，随炉冷却。

优选的，所述步骤4还包括以下步骤：步骤4.1、生长掺杂硅的第一n型氮化镓层；

步骤4.2、单独制备石墨烯层；

步骤4.3、在石墨烯层的表面覆盖pmma；

步骤4.4、将石墨烯层转移至第一n型氮化镓层上；

步骤4.5、在石墨烯层上继续生长掺杂硅的第二n型氮化镓层。

优选的，在所述步骤4中，

步骤4.1、生长掺杂硅的第一n型氮化镓层，具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000～1200℃以及通入流量为30000～60000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气和20～50sccm的硅烷的条件下，生长厚度为0.1～2μm掺杂硅的第一n型氮化镓层，硅掺杂浓度5×10¹⁸～1×10¹⁹atoms/cm³；

步骤4.2、单独制备石墨烯层，具体是：采用化学气相沉积法，以甲烷为碳源，以铜箔为基底，将铜箔置于石英管中，石英管置于电阻炉中，密封石英管，升温至930～1100℃并保持60～100min，通入流量为150～200ml/min的氩气并保持10～30min，对铜箔进行高温预热处理，通入流量为10～20ml/min的甲烷，生长石墨烯层，生长时间为10～50min，反应完毕，关闭甲烷，并将铜箔移到电阻炉口，得到生长在铜箔上的石墨烯层，所述石墨烯层的层数为1～5层；

步骤4.3、在石墨烯层的表面覆盖pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，具体是：首先，将生长有石墨烯层的铜箔平展固定在晶圆片上，其次，将晶圆片放入匀胶机中，控制转速为4000～5000r/min，在石墨烯层表面匀上pmma胶层，然后取出晶圆片置于100～120℃条件下烘烤10～15min，将匀胶后的铜箔放入质量分数为15～40％的三氯化铁溶液中浸泡4～5h，经去离子水漂洗至少3次，获得表面覆盖pmma的石墨烯层；

步骤4.4、将石墨烯层转移至第一n型氮化镓层上，具体是：将表面覆盖pmma的石墨烯层转移至第一n型氮化镓层上自然风干，再浸入丙酮溶液15～20min除去pmma胶层，最后，浸入乙醇溶液5～10min，取出晾干，得到生长在第一n型氮化镓层上的石墨烯层；

步骤4.5、在石墨烯层上继续生长掺杂硅的第二n型氮化镓层，具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000℃-1200℃以及通入流量为30000～60000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气和20～50sccm的硅烷的条件下，在步骤4.4的石墨烯层上生长厚度为1～3μm掺杂硅的第二n型氮化镓层，硅掺杂浓度5×10¹⁸～1×10¹⁹atoms/cm³。

优选的，所述步骤6还包括以下步骤：

步骤6.1、生长掺杂铝和镁的p型氮化铝镓层，具体是：在反应腔压力为200～400mbar，温度为900～950℃以及通入流量为50000～70000sccm的氨气、30～60sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气、100～130sccm的三甲基铝和1000～1800sccm的二茂镁的条件下，生长厚度为50～100nm的掺杂铝和镁的p型氮化铝镓层，铝掺杂浓度为1×10²⁰～3×10²⁰atoms/cm³，镁掺杂浓度1×10¹⁹～1×10²⁰atoms/cm³；

步骤6.2、在p型氮化铝镓层上生长石墨烯层，具体是：采用步骤4.2和步骤4.3所述的方法获得表面覆盖pmma的石墨烯层，将表面覆盖pmma的石墨烯层转移至p型氮化铝镓层上自然风干，再浸入丙酮溶液15～20min除去pmma胶层，最后，浸入乙醇溶液5～10min，取出晾干，得到生长在p型氮化铝镓层上的石墨烯层。

优选的，所述步骤1具体是：在反应腔压力为100～300mbar、温度为1000～1100℃以及通入流量为100～130l/min的氢气的条件下，处理衬底8～10min。

优选的，所述步骤2具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为500～600℃以及通入流量为10000～20000sccm的氨气、50～100sccm的三甲基镓和100～130l/min的氢气的条件下，在所述衬底上生长厚度为20～40nm的低温氮化物缓冲层氮化镓；

在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000～1100℃以及通入流量为30000～40000sccm的氨气和100～130l/min的氢气的条件下，保持温度300～500s，在低温氮化物缓冲层氮化镓上形成不规则小岛。

优选的，所述步骤3具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000～1200℃以及通入流量为30000～40000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓和100～130l/min的氢气的条件下，生长厚度为2～4μm的非掺杂氮化镓层。

优选的，所述步骤5具体是：在反应腔压力为300～400mbar、温度为700～750℃以及通入流量为50000～70000sccm的氨气、20～40sccm的三甲基镓、1500～2000sccm的三甲基铟和100～130l/min的氮气的条件下，生长厚度为2.5～3.5nm掺杂铟的inxga(1-x)n层，其中x＝0.20～0.25，发光波长为450～455nm；接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力不变，通入流量为50000～70000sccm的氨气、20～100sccm的三甲基镓和100～130l/min的氮气，生长厚度为8～15nm的氮化镓层；重复交替生长inxga(1-x)n层和氮化镓层，控制交替周期数为7～15个。

优选的，所述步骤7具体是：在反应腔压力为400～900mbar、温度为950～1000℃以及通入50000～70000sccm的氨气、20～100sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气和1000～3000sccm的二茂镁的条件下，生长的掺杂镁的p型氮化镓层，镁掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰atoms/cm³。

优选的，所述衬底包括蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂中的至少一种。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明所述的外延生长方法，通过在步骤4中的掺杂硅的n型氮化镓层上生长石墨烯层以及在步骤6中在p型氮化铝镓层上生长石墨烯层，能够有效的改善发光二极管的电流扩展情况，提高led器件的光、电、热性能。石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，温度为50～500k时，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm²/(v·s)左右，且石墨烯分子层内具有超强导电性，同时，石墨烯面内分子之间的碳原子通过sp²杂化轨道组成六边形结构，性能稳定，与纤锌矿氮化镓的(0001)面相似，氮化物外延可以在石墨烯层上进行外延，当石墨烯层的层数为1～5层时，其对氮化物外延层影响较小，能够确保外延结晶质量；此外，在氮化物led外延中，在氮化铝镓层上插入1～5层石墨烯，氮化铝镓高阻层提高了器件纵向电阻，石墨烯层降低横向电阻，进一步的提高了器件电流分布均匀性，又石墨烯具有优良导热性，提高器件的散热能力，从而改善led器件的光、电、热性能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图和实施例，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是本发明优选实施例1的led外延结构示意图；

其中，1、衬底，2、低温氮化物缓冲层，3、非掺杂氮化镓层，4、掺杂硅的第一n型氮化镓层，5、生长在第一n型氮化镓层上的石墨烯层，6、掺杂硅的第二n型氮化镓层，7、发光层，8、p型氮化铝镓层，9、生长在p型氮化铝镓层上的石墨烯层，10、p型氮化镓层。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种提高氮化物led电流扩展能力的外延生长方法，包括生长石墨烯层的过程，具体是：

步骤1、处理衬底1；

步骤2、在衬底1上生长低温氮化物缓冲层2以及在低温氮化物缓冲层2上形成不规则小岛，所述低温氮化物缓冲层2包括氮化镓、氮化铝或氮化铝镓中的至少一种；

步骤3、生长非掺杂氮化镓层3；

步骤4、生长包含石墨烯层的掺杂硅的n型氮化镓层；

步骤5、生长发光层7；

步骤6、生长包含石墨烯层的掺杂铝和镁的p型氮化铝镓层8；

步骤7、生长掺杂镁的p型氮化镓层10；

步骤8、在温度为650～680℃的条件下保温20～30min，关闭加热系统和给气系统，随炉冷却。

所述步骤4还包括以下步骤：

步骤4.1、生长掺杂硅的第一n型氮化镓层4，具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000～1200℃以及通入流量为30000～60000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气和20～50sccm的硅烷的条件下，生长厚度为0.1～2μm掺杂硅的第一n型氮化镓层4，硅掺杂浓度5×10¹⁸～1×10¹⁹atoms/cm³；

步骤4.2、单独制备石墨烯层，具体是：采用化学气相沉积法，以甲烷为碳源，以铜箔为基底，将铜箔置于石英管中，石英管置于电阻炉中，密封石英管，升温至930～1100℃并保持60～100min，通入流量为150～200ml/min的氩气并保持10～30min，对铜箔进行高温预热处理，通入流量为10～20ml/min的甲烷，生长石墨烯层，生长时间为10～50min，反应完毕，关闭甲烷，并将铜箔移到电阻炉口，得到生长在铜箔上的石墨烯层，所述石墨烯层的层数为1层，其中，铜箔主要起到类似催化剂的作用，碳原子在铜箔表面吸附并结晶生成石墨烯层，铜箔还需要预处理，具体是：将铜箔依次浸入质量分数为18％的稀盐酸和乙醇中进行超声清洗，再用去离子水冲洗干净，最后吹干铜箔；

步骤4.3、在石墨烯层的表面覆盖pmma，具体是：首先，将生长有石墨烯层的铜箔平展固定在晶圆片上，其次，将晶圆片放入匀胶机中，控制转速为4000～5000r/min，在石墨烯层表面匀上pmma胶层，然后取出晶圆片置于100～120℃条件下烘烤10～15min，将匀胶后的铜箔放入质量分数为15～40％的三氯化铁溶液中浸泡4～5h，经去离子水漂洗至少3次(确保彻底清洗掉残存的三氯化铁溶液)，获得表面覆盖pmma的石墨烯层；

步骤4.4、将石墨烯层转移至第一n型氮化镓层上，具体是：将表面覆盖pmma的石墨烯层转移至第一n型氮化镓层上自然风干，再浸入丙酮溶液15～20min除去pmma胶层，最后，浸入乙醇溶液5～10min，取出晾干，得到生长在第一n型氮化镓层上的石墨烯层5；

步骤4.5、在石墨烯层上继续生长掺杂硅的第二n型氮化镓层6，具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000℃-1200℃以及通入流量为30000～60000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气和20～50sccm的硅烷的条件下，在步骤4.4的石墨烯层上生长厚度为1～3μm掺杂硅的第二n型氮化镓层6，硅掺杂浓度5×10¹⁸～1×10¹⁹atoms/cm³。

所述步骤6还包括以下步骤：

步骤6.1、生长掺杂铝和镁的p型氮化铝镓层8，具体是：在反应腔压力为200～400mbar，温度为900～950℃以及通入流量为50000～70000sccm的氨气、30～60sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气、100～130sccm的三甲基铝和1000～1800sccm的二茂镁的条件下，生长厚度为50～100nm的掺杂铝和镁的p型氮化铝镓层8，铝掺杂浓度为1×10²⁰～3×10²⁰atoms/cm³，镁掺杂浓度1×10¹⁹～1×10²⁰atoms/cm³；

步骤6.2、在p型氮化铝镓层8上生长石墨烯层，具体是：采用步骤4.2和步骤4.3所述的方法获得表面覆盖pmma的石墨烯层，将表面覆盖pmma的石墨烯层转移至p型氮化铝镓层8上自然风干，再浸入丙酮溶液15～20min除去pmma胶层，最后，浸入乙醇溶液5～10min，取出晾干，得到生长在p型氮化铝镓层上的石墨烯层9，其中，石墨烯层层数为1层。

所述步骤1具体是：在反应腔压力为100～300mbar、温度为1000～1100℃以及通入流量为100～130l/min的氢气的条件下，处理衬底8～10min。

所述步骤2具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为500～600℃以及通入流量为10000～20000sccm的氨气、50～100sccm的三甲基镓和100～130l/min的氢气的条件下，在所述衬底1上生长厚度为20～40nm的低温氮化物缓冲层2氮化镓；

在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000～1100℃以及通入流量为30000～40000sccm的氨气和100～130l/min的氢气的条件下，保持温度300～500s，在低温氮化物缓冲层2氮化镓上形成不规则小岛。

所述步骤3具体是：在反应腔压力为300～600mbar、温度为1000～1200℃以及通入流量为30000～40000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓和100～130l/min的氢气的条件下，生长厚度为2～4μm的非掺杂氮化镓层3。

所述步骤5具体是：在反应腔压力为300～400mbar、温度为700～750℃以及通入流量为50000～70000sccm的氨气、20～40sccm的三甲基镓、1500～2000sccm的三甲基铟和100～130l/min的氮气的条件下，生长厚度为2.5～3.5nm掺杂铟的inxga(1-x)n层，其中x＝0.20～0.25，发光波长为450～455nm；接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力不变，通入流量为50000～70000sccm的氨气、20～100sccm的三甲基镓和100～130l/min的氮气，生长厚度为8～15nm的氮化镓层；重复交替生长inxga(1-x)n层和氮化镓层，控制交替周期数为10个。

所述步骤7具体是：在反应腔压力为400～900mbar、温度为950～1000℃以及通入50000～70000sccm的氨气、20～100sccm的三甲基镓、100～130l/min的氢气和1000～3000sccm的二茂镁的条件下，生长的掺杂镁的p型氮化镓层10，镁掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰atoms/cm³。

所述衬底1为蓝宝石。

通过所述外延生长方法制备的led外延结构参见图1。

对比例1

与实施例1不同的是步骤4和步骤6中的石墨烯层层数为0层，其它条件不变。

根据实施例1和对比例1所述的外延生长方法分别批量制得样品1和样品2，样品1和样品2在相同的工艺条件下镀氧化铟锡(ito)层约150nm，相同的条件下镀铬\铂\金(cr/pt/au)电极约1500nm，相同的条件下镀保护层二氧化硅(sio2)约100nm，然后在相同的条件下将样品1和样品2研磨切割成635μm×635μm(25mil×25mil)的芯片颗粒，在相同注入电流密度(35a/cm²)下，实施例1的电压更低；通过红外热像仪观测，实施例1的具有更低的表面温度和更均匀的温度场分布，反映了实施例1具有更好的电流扩展能力和散热性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。