一种LED外延结构及其生长方法与流程

本发明涉及led制造技术领域，具体涉及一种led外延结构及其生长方法。

背景技术：

led是一种固体照明器件，因其具有体积小、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，因此国内生产led的规模也在逐步扩大；市场需求的led产品品质越来越高，客户关注的是led更省电，亮度更高、光效更好，这就为led外延结构的生长提出了更高的要求；大功率器件驱动电压和亮度要求是目前市场需求的重点。

综上所述，急需一种led外延结构及其生长方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种led外延结构及其生长方法，以解决提升led器件发光亮度提升的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种led外延结构生长方法，包括在衬底上依次生长第一gan层、第二gan层、第三gan层、第一超晶格层、第二超晶格层和发光层；

所述第一超晶格层的生长工艺为交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n，其中，x＝0.10-0.15，交替生长周期数为6-10个；

生长掺杂si的n型gan：在830-850℃温度条件下，使反应腔压力为150-250mbar，通入nh3、tmga、n2、h2和sih4，持续生长30-60nm掺杂si的n型gan；

生长不掺杂si的inxga(1-x)n：保持温度和压力不变，通入nh3、tega和tmin，持续生长1-1.5nm不掺杂si的inxga(1-x)n。

优选的，所述第三gan层的生长工艺为在750-800℃温度条件下，使反应腔压力为150-250mbar，通入nh3、tmga、h2和sih4持续生长30-60nm掺杂si的n型gan，si的掺杂浓度为1e19-1.5e19atoms/cm³。

优选的，所述第二超晶格层的生长工艺为交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan，交替生长周期数为10-20个，si的掺杂浓度为3e19-5e19atoms/cm³。

优选的，第二超晶格层的生长工艺中，生长掺杂si的n型gan：在850-900℃温度条件下，使反应腔压力为150-250mbar，通入nh3、tmga、h2和sih4持续生长3-4nm掺杂si的n型gan；

生长不掺杂si的n型gan：保持温度和压力不变，通入nh3、tmga和h2生长3-4nm不掺杂si的n型gan。

优选的，所述发光层包括依次生长的第一发光层和第二发光层；所述第一发光层的生长工艺包括交替生长掺杂in的inyga(1-y)n和掺杂si的n型gan，其中y＝0.20-0.35，si的掺杂浓度为5e16-1e17atoms/cm³，交替生长周期数为13-14个。

优选的，第一发光层的生长工艺中，生长掺杂in的inyga(1-y)n：在700-750℃温度条件下，使反应腔压力为200-400mbar，通入nh3、tega、tmin和n2生长2.5-4.2nm掺杂in的inyga(1-y)n；

生长掺杂si的n型gan：保持反应腔压力不变，升高温度至850-900℃，通入nh3、tmga、n2和sih4生长8-15nm掺杂si的n型gan。

优选的，所述第二发光层的生长工艺为：在700-750℃温度条件下，使反应腔压力为200-400mbar，通入nh3、tega、tmin和n2生长2.5-4.2nm掺杂in的inyga(1-y)n；然后保持反应腔压力，升高温度至850-900℃，通入nh3、tmga和n2生长8-15nm不掺杂si的n型gan。

优选的，一种led外延结构生长方法还包括在发光层上方依次生长第一p型gan层、p型algan层、第二p型gan层和第三p型gan层，其中，第一p型gan层中mg的掺杂浓度为1e20-5e20atoms/cm³，第二p型gan层中mg的掺杂浓度为1e19-1e20atoms/cm³，第三p型gan层中mg的掺杂浓度为1e20-2e20atoms/cm³；p型algan层中mg的掺杂浓度为1e19-5e19atoms/cm³，al的掺杂浓度为1e20-3e20atoms/cm³。

优选的，在生长第一p型gan层、p型algan层、第二p型gan层和第三p型gan层时通入二茂镁；生长p型algan层时通入tmal。

本发明还提供了一种led外延结构，包括从下至上层叠设置的衬底、第一gan层、第二gan层、第三gan层、第一超晶格层、第二超晶格层、发光层、第一p型gan层、p型algan层、第二p型gan层和第三p型gan层。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中，led外延结构的生长方法包括制备掺杂si的n型gan的第三gan层、制备交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n的第一超晶格层和制备交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan的第二超晶格层，使led器件的亮度得到大幅度提升，这是由于本申请在制备gan时通过通入硅烷实现si的掺杂，利用si在第三gan层、第一超晶格层和第二超晶格层中的分布，扩大了外延结构的电容，增加了led外延结构中有效电子的数量，间接的提升了核心发光层光取出的效率。

(2)本发明中，通过不掺杂si的gan和掺杂si的gan提供了更多的有效电子，且距离发光层较近(邻近或间隔几十纳米)，能将第三gan层、第一超晶格层和第二超晶格层中的有效电子注入到发光层中，提高发光效率；再加上si的掺杂在外延结构片内形成si的高低分布，相当于有限二级板电容串联，形成高电容抗性，能提升led芯片的抗静电能力，且通过本申请方法制备的样品电压vf明显较低。

(3)本发明中，通过限定第一超晶格层生长时交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n的交替生长周期数、第二超晶格层生长时交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan的交替生长周期数以及inxga(1-x)n的厚度和in的含量，能使制得的led器件的发光亮度达到159.05lm/w以上。

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，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是本申请实施例中通过一种led外延结构生长方法得到的led芯片结构示意图；

其中，1、衬底，2、第一gan层，3、第二gan层，4、第三gan层，5、第一超晶格层，6、第二超晶格层，7、第一发光层，8、第二发光层，9、第一p型gan层，10、p型algan层，11、第二p型gan层，12、第三p型gan层，13、透明导电层，14、绝缘层，15、n电极，16、p电极。

具体实施方式

以下结合附图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：

参见图1，一种led外延结构生长方法，本实施例应用于提升led外延结构的发光亮度。

一种led外延结构生长方法，包括在衬底1上依次生长第一gan层2、第二gan层3、第三gan层4、第一超晶格层5、第二超晶格层6、发光层、第一p型gan层9、p型algan层10、第二p型gan层11和第三p型gan层12，如图1所示。

本申请中，采用mocvd(金属有机化合物化学气相沉淀)来生长高亮度gan基led外延结构，采用高纯h2、高纯n2中的至少一种作为载气；采用高纯nh3(氨气)作为n源；采用金属有机源三甲基镓(tmga)或三乙基镓(tega)作为镓源；采用三甲基铟(tmin)作为铟源；三甲基铝(tmal)作为铝源；n型gan中用到的掺杂剂为硅烷(sih4)，p型gan中用到的掺杂剂为二茂镁(cp2mg)，衬底1为(0001)面蓝宝石溅射aln模板衬底，外延结构生长过程中，反应压力在70mbar到900mbar之间，具体生长工艺如下：

步骤一：将衬底1放置于mocvd系统石墨盘内传入反应腔，将反应腔升温至1000-1100℃，通入100-130l/min的h2，保持反应腔压力100-300mbar，使系统准备就绪。

步骤二：生长第一gan层2：升高反应腔温度至1000-1200℃，改变反应腔压力至300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的nh3、200-400sccm的tmga、100-130l/min的h2，持续生长3-4μm的不掺杂gan。

步骤三：生长第二gan层3：保持反应腔压力为300-600mbar、温度为1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的nh3、200-400sccm的tmga、100-130l/min的h2、20-50sccm的sih4持续生长3-4μm掺杂si的n型gan，si掺杂浓度5e18-1e19atoms/cm³；保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000-60000sccm的nh3、200-400sccm的tmga、100-130l/min的h2、2-10sccm的sih4持续生长200-400nm掺杂si的n型gan，si掺杂浓度5e17-1e18atoms/cm³。

步骤四：生长第三gan层4：降温至750-800℃，改变反应腔压力至150-250mbar，通入流量为30000-60000sccm的nh3、通入90-150sccm的tmga、100-130l/min的h2、20-50sccm的sih4持续生长30-60nm掺杂si的n型gan，si的掺杂浓度为1e19-1.5e19atoms/cm³。

步骤五：生长第一超晶格层5：所述第一超晶格层5的生长工艺为交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n，其中，x＝0.10-0.15，交替生长周期数为6-10个，本实施例中，x＝0.15，交替生长周期数为6个；

生长掺杂si的n型gan：在830-850℃温度条件下，使反应腔压力为150-250mbar，通入流量为30000-60000sccm的nh3、通入100-200sccm的tmga、50-60l/min的n2、50-70l/min的h2和2-5sccm的sih4，持续生长30-60nm掺杂si的n型gan；

生长不掺杂si的inxga(1-x)n：保持温度和压力不变，通入30000-60000sccm的nh3、400-600sccm的tega和300-800sccm的tmin，持续生长1-1.5nm不掺杂si的inxga(1-x)n，本实施例中，tmin的通入流量为500sccm，inxga(1-x)n的厚度为1.5nm，x＝0.15。

步骤六：生长第二超晶格层6：所述第二超晶格层6的生长工艺为交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan，交替生长周期数为10-20个，si的掺杂浓度为3e19-5e19atoms/cm³，本实施例中，交替生长周期数为10个；

生长掺杂si的n型gan：在850-900℃温度条件下，使反应腔压力为150-250mbar，通入流量为30000-60000sccm的nh3、90-150sccm的tmga、100-130l/min的h2和40-80sccm的sih4，持续生长3-4nm掺杂si的n型gan；

生长不掺杂si的n型gan：保持温度和压力不变，通入30000-60000sccm的nh3、90-150sccm的tmga和100-130l/min的h2生长3-4nm不掺杂si的n型gan。

步骤七：生长发光层：所述发光层包括依次生长的第一发光层7和第二发光层8；所述第一发光层7的生长工艺包括交替生长掺杂in的inyga(1-y)n和掺杂si的n型gan，其中y＝0.20-0.35，si的掺杂浓度为5e16-1e17atoms/cm³，交替生长周期数为13-14个。

第一发光层7的生长工艺中，生长掺杂in的inyga(1-y)n：在700-750℃温度条件下，使反应腔压力为200-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的nh3、100-200sccm的tega、1500-2000sccm的tmin和100-130l/min的n2生长2.5-4.2nm掺杂in的inyga(1-y)n；

生长掺杂si的n型gan：保持反应腔压力不变，升高温度至850-900℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga、100-130l/min的n2和0.1-0.2sccm的sih4生长8-15nm掺杂si的n型gan。

所述第二发光层8的生长工艺为：在700-750℃温度条件下，使反应腔压力为200-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的nh3、100-200sccm的tega、1500-2000sccm的tmin和100-130l/min的n2生长2.5-4.2nm掺杂in的inyga(1-y)n；然后保持反应腔压力，升高温度至850-900℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga和100-130l/min的n2生长8-15nm不掺杂si的n型gan。

步骤八：生长第一p型gan层9：保持反应腔压力为200-300mbar、温度700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、30-60sccm的tmga、100-130l/min的h2、2000-4000sccm的cp2mg(二茂镁)持续生长30-60nm的低温p型gan层，mg的掺杂浓度为1e20-5e20atoms/cm³。

步骤九：生长p型algan层10：保持反应腔压力为200-400mbar、温度为900-950℃，通入流量为10000-30000sccm的nh3、30-60sccm的tmga、100-150l/min的n2、100-130sccm的tmal、200-1300sccm的cp2mg持续生长50-100nm的p型algan层，al的掺杂浓度为1e20-3e20atoms/cm³，mg的掺杂浓度为1e19-5e19atoms/cm³。

步骤十：生长第二p型gan层11：保持反应腔压力为400-900mbar、温度为950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、20-100sccm的tmga、100-130l/min的h2、1000-3000sccm的cp2mg持续生长50-100nm的掺镁的p型gan层，mg的掺杂浓度为1e19-1e20atoms/cm³。

步骤十一：生长第三p型gan层12：保持反应腔压力为400-900mbar、温度为950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的nh3、100-200sccm的tega、100-130l/min的h2、1000-3000sccm的cp2mg持续生长5-10nm的掺镁的p型gan层，mg掺杂浓度1e20-2e20atoms/cm³。

步骤十二：通入流量为10000-20000sccm的nh3、100-130l/min的n2，直到反应腔降温至650-680℃，保温5-10min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却，取出led外延结构片送至芯片制作工艺。

通过本实施例中的led外延结构生长方法制备得到的led外延结构包括从下至上层叠设置的衬底1、第一gan层2、第二gan层3、第三gan层4、第一超晶格层5、第二超晶格层6、发光层、第一p型gan层9、p型algan层10、第二p型gan层11和第三p型gan层12；其中发光层包括从下至上层叠设置的第一发光层7和第二发光层8。

完整的芯片制作工艺还包括以下步骤：将通过本申请方法制作好的外延结构片进行清洗，按照现有工艺蒸镀约100nm的透明导电层13，本实施例中为ito层；然后蒸镀约80nm的绝缘层14，本实施例中为sio2层，再按照现有工艺制作n电极15和p电极16、活化、研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片颗粒。

完成芯片制作工艺后进行测试封装工艺：将芯片工艺制作好的整片芯片颗粒在测试机上进行led电压vf、亮度lop、漏电ir、反向电压vz和抗静电esd等参数测试。本实施例中得到的整片芯片颗粒为样品1。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长第一超晶格层5时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n，交替生长周期数为10个，得到的整片芯片颗粒为样品2。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长第一超晶格层5时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n，交替生长周期数为8个，得到的整片芯片颗粒为样品3。

实施例4：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤六中，生长第二超晶格层6时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan，交替生长周期数为20个，得到的整片芯片颗粒为样品4。

实施例5：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤六中，生长第二超晶格层6时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan，交替生长周期数为15个，得到的整片芯片颗粒为样品5。

实施例6：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长不掺杂si的inxga(1-x)n时，tmin的通入流量为360sccm，inxga(1-x)n中的x＝0.10，得到的整片芯片颗粒为样品6。

实施例7：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长不掺杂si的inxga(1-x)n时，tmin的通入流量为400sccm，inxga(1-x)n中的x＝0.12，得到的整片芯片颗粒为样品7。

实施例8：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长不掺杂si的inxga(1-x)n时，tmin的通入流量为500sccm，inxga(1-x)n的厚度为1.0nm。得到的整片芯片颗粒为样品8。

实施例9：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长不掺杂si的inxga(1-x)n时，tmin的通入流量为500sccm，inxga(1-x)n的厚度为1.2nm。得到的整片芯片颗粒为样品9。

对比例1：

本对比例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长第一超晶格层5时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n，交替生长周期数为4个，得到的整片芯片颗粒为样品10。

对比例2：

本对比例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长第一超晶格层5时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n，交替生长周期数为15个，得到的整片芯片颗粒为样品11。

对比例3：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤六中，生长第二超晶格层6时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan，交替生长周期数为5个，得到的整片芯片颗粒为样品12。

对比例4：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤六中，生长第二超晶格层6时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan，交替生长周期数为25个，得到的整片芯片颗粒为样品13。

对比例5：

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长不掺杂si的inxga(1-x)n时，tmin的通入流量为200sccm，inxga(1-x)n中的x＝0.06，得到的整片芯片颗粒为样品14。

对比例6：

本对比例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长不掺杂si的inxga(1-x)n时，tmin的通入流量为700sccm，inxga(1-x)n中的x＝0.20，得到的整片芯片颗粒为样品15。

对比例7：

本对比例与实施例1的区别在于：步骤五中，生长不掺杂si的inxga(1-x)n时，tmin的通入流量为700sccm，inxga(1-x)n的厚度为3nm。得到的整片芯片颗粒为样品16。

对比例8：

本对比例与实施例1的区别在于：led外延结构生长工艺中，将步骤四至步骤六替换为通过常规工艺制备掺杂si的n型gan：使反应腔温度为850℃，反应压力为200mbar，通入60000sccm的nh3、通入100sccm的tmga、50l/min的n2、50l/min的h2和2sccm的sih4，持续生长200nm掺杂si的n型gan，si的掺杂浓度为5e18atoms/cm³，得到的整片芯片颗粒为样品17。

对样品1-样品17各取100颗，进行检测，得到的产品电性参数表如表1所示：

表1样品电性参数对照表

由表1可知，当led外延结构的生长方法包括制备掺杂si的n型gan的第三gan层4、制备交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n的第一超晶格层5和制备交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan的第二超晶格层6时，除了样品14的发光亮度低于样品17，其他样品的发光亮度均优于样品17的发光亮度，这是由于本申请在制备gan时通过通入硅烷实现si的掺杂，利用si在第三gan层4、第一超晶格层5和第二超晶格层6中的分布，扩大了外延结构的电容，增加了led外延结构中有效电子的数量，间接的提升了核心发光层光取出的效率：具体为步骤四和步骤六中不掺杂si的gan和掺杂si的gan提供了更多的有效电子，且距离发光层较近(邻近或间隔几十纳米)，能将有效电子注入到发光层中，提高发光效率；再加上si的掺杂在外延结构片内形成si的高低分布，相当于有限二级板电容串联，形成高电容抗性，能提升led芯片的抗静电能力。且通过本申请方法制备的样品电压vf明显较低。

通过实施例1、实施例2、实施例3、对比例1和对比例2可知，当通过步骤五生长第一超晶格层5时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的inxga(1-x)n，交替生长周期数为6-10个时，样品发光亮度能达到159.05lm/w以上；而当交替生长周期数小于6个时，其发光亮度只有145.11lm/w，当交替生长周期数大于10个时，发光亮度为139.33lm/w，提升亮度的效果相对较差。

通过实施例1、实施例4、实施例5、对比例3和对比例4可知，当通过步骤六生长第二超晶格层6时，交替生长掺杂si的n型gan和不掺杂si的n型gan，交替生长周期数为10-20个时，样品发光亮度能达到159.05lm/w以上；而当交替生长周期数小于10个时，其发光亮度只有139.55lm/w，当交替生长周期数大于20个时，发光亮度为137.25lm/w，提升亮度的效果相对较差。

通过实施例1、实施例6、实施例7、对比例5和对比例6可知，本申请中，对第一超晶格层5中inxga(1-x)n的in的含量有限制，x＝0.10-0.15，使电子集中于第一超晶格层5，进一步提高电子浓度，间接的提高发光层电子浓度，在一定的空穴浓度下，发光层的电子浓度越高，发光效率越高，发光亮度最高可达162.08lm/w，而当in含量不处于此范围时，发光亮度最高只有138.21lm/w。

通过实施例1、实施例8、实施例9、和对比例7可知，当inxga(1-x)n的厚度为1-1.5nm时，其发光亮度最高可达160.53lm/w，增加inxga(1-x)n的厚度时，其发光亮度降低至139.21lm/w。

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。