CN105261678B - 一种提高led内量子效率的外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开提高LED内量子效率的外延生长方法，处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却等步骤。

Description

一种提高LED内量子效率的外延生长方法
技术领域
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LED内量子效率的外延生长方法。
背景技术
目前LED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，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。
目前国内LED行业正在蓬勃的发展，LED产品具有节能、环保、寿命长等优点，随着LED产品的普及行业竞争逐步激烈，客户要求逐步提高，LED的发光效率是竞争的焦点，LED的定价基本上被公认为元/流明；流明定义为LED的发光强度，大功率LED定义为元/光效；流明和光效和LED的内外量子效率有关；传统的LED外延生长方式生长的发光层一般采取InGaN/GaN材料的超晶格，InGaN和GaN存在较大的晶格适配度导致InGaN材料的电子和空穴复合受影响，内量子效率不高。
发明内容
有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种提高LED内量子效率的外延生长方法，通过调整InGaN应力的材料来改善提高LED外量子效率。
为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：
一种提高LED内量子效率的外延生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，其特征在于，
所述生长发光层进一步为：
保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5nm-3.5nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长450nm-455nm，生长过程中压力、温度以及通入NH3、TMGa、TMIn、N2的量保持恒定；
接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、50sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N2，生长4nm-20nm的InyGa(1-y)N层，y＝0.2-0.5；生长过程中压力、通入TMGa、N2、NH3的量保持恒定；
重复InxGa(1-x)N层的生长，然后重复InyGa(1-y)N层的生长；
交替生长InxGa(1-x)N层/InyGa(1-y)N层发光层，周期数为7-15。
优选地，其中，所述生长4nm-20nm的InyGa(1-y)N层过程中，通入TMIn的量为500sccm-2000sccm，通入量从小到大变化或从大到小变化；温度控制至750℃-850℃，温度从低变高或恒定不变；InyGa(1-y)N层中y从0.2到0.5渐变、或从0.5到0.2渐变、或从0.2变化到0.5再变回0.2、或从0.5变为0.2再变回0.5。
优选地，其中，所述处理衬底进一步为：在1000℃-1100℃的H2气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底8min-10min。
优选地，其中，所述生长低温缓冲层GaN进一步为：
降温至500℃-600℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm的NH3、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温缓冲层GaN。
优选地，其中，所述生长不掺杂GaN层进一步为：
升高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。
优选地，其中，所述生长掺杂Si的N型GaN层进一步为：
保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、20sccm-50sccm的SiH4，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18 atoms/cm3-1E19 atoms/cm3；
保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、2sccm-10sccm的SiH4，持续生长200nm-400nm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm3-1E18atoms/cm3。
优选地，其中，所述生长P型AlGaN层进一步为：
保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度900℃-950℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20atoms/cm3-3E20 atoms/cm3，Mg掺杂浓度1E19 atoms/cm3-1E20 atoms/cm3。
优选地，其中，所述生长掺Mg的P型GaN层进一步为：
保持反应腔压力400mbar-900mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、1000sccm-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-100nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19 atoms/cm3-1E20 atoms/cm3。
优选地，其中，所述降温冷却进一步为：降温至650℃-680℃，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
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LED内量子效率的外延生长方法中，采用InyGa(1-y)N层取代原来的GaN，同时实现y值的变化，由于原来InxGa(1-x)N层与GaN之间的晶格有差异，两者存在应力，导致InxGa(1-x)N层材料能带弯曲严重，电子局域化显著，电子和空穴的复合不均匀，发光效率受到影响，本专利为了调制的InxGa(1-x)N层应力，引入InyGa(1-y)N层材料，InyGa(1-y)N层和InxGa(1-x)N层晶格匹配问题可以通过改变y值进行调节，y值渐变是为了逐步释放InxGa(1-x)N层的应力，实现InxGa(1-x)N层和InyGa(1-y)N层的良好匹配，InxGa(1-x)N层材料中电子和空穴复合均匀化，复合效率提升，从而有效提高了LED内量子效。
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为本发明实施例1中LED外延层的结构示意图；
图2为对比实施例1中LED外延层的结构示意图；
图3为25mil*25mil芯片亮度分布图；
其中，1、衬底，2、缓冲层GaN，3、不掺杂GaN，4、N型GaN层，5、InxGa(1-x)N层，6、InyGa(1-y)N层，7、P型AlGaN，8、高温P型GaN，9、GaN，56、发光层。
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
本发明提供一种提高LED内量子效率的外延生长方法(外延层结构参见图1)，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，
所述生长发光层进一步为：
保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5nm-3.5nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长450nm-455nm，生长过程中压力、温度以及通入NH3、TMGa、TMIn、N2的量保持恒定；接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、50sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N2，生长4nm-20nm的InyGa(1-y)N层，y＝0.2-0.5；生长过程中压力、通入TMGa、N2、NH3的量保持恒定；重复InxGa(1-x)N层的生长，然后重复InyGa(1-y)N层的生长；交替生长InxGa(1-x)N层/InyGa(1-y)N层发光层，周期数为7-15。
上述生长4nm-20nm的InyGa(1-y)N层过程中，通入TMIn的量为500sccm-2000sccm，通入量从小到大变化或从大到小变化；温度控制至750℃-850℃，温度从低变高或恒定不变；InyGa(1-y)N层中y从0.2到0.5渐变、或从0.5到0.2渐变、或从0.2变化到0.5再变回0.2、或从0.5变为0.2再变回0.5。
上述处理衬底进一步为：在1000℃-1100℃的H2气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底8min-10min。
上述生长低温缓冲层GaN进一步为：降温至500℃-600℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm的NH3、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温缓冲层GaN。
上述生长不掺杂GaN层进一步为：升高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。
上述生长掺杂Si的N型GaN层进一步为：保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、20sccm-50sccm的SiH4，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18 atoms/cm3-1E19atoms/cm3；保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、2sccm-10sccm的SiH4，持续生长200nm-400nm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm3-1E18atoms/cm3。
上述生长P型AlGaN层进一步为：保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度900℃-950℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20 atoms/cm3-3E20 atoms/cm3，Mg掺杂浓度1E19 atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
上述生长掺Mg的P型GaN层进一步为：保持反应腔压力400mbar-900mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、1000sccm-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-100nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19 atoms/cm3-1E20 atoms/cm3。
上述降温冷却进一步为：降温至650℃-680℃，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
对比实施例1
传统LED外延层的生长方法为(外延层结构参见图2)：
1、在1000℃-1100℃的H2气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底8min-10min。
2、降温至500-600℃下，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm的NH3、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温缓冲层GaN。
3、高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。
4、保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、20sccm-50sccm的SiH4，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18 atoms/cm3-1E19 atoms/cm3(1E19代表10的19次方，也就是1019，5E18代表5×1018，以下表示方式以此类推)。
5、保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、2sccm-10sccm的SiH4，持续生长200nm-400nm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17 atoms/cm3-1E18 atoms/cm3。
6、保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5nm-3.5nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长450nm-455nm；接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的N2，生长8nm-15nm的GaN层；重复InxGa(1-x)N层的生长，然后重复GaN的生长，交替生长InxGa(1-x)N层/GaN发光层，控制周期数为7-15个。
7、保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度900℃-950℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1800sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20atoms/cm3-3E20 atoms/cm3，Mg掺杂浓度1E19 atoms/cm3-1E20 atoms/cm3。
8、保持反应腔压力400mbar-900mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、1000sccm-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-200nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19 atoms/cm3-1E20 atoms/cm3。
9、最后降温至650℃-680℃，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
根据传统的LED的生长方法(对比实施例1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生长发光层的生长条件不一样：样品1生长InxGa(1-x)层/GaN周期发光层，样品2生长InxGa(1-x)层/InyGa(1-y)N层周期发光层(x值恒定y值渐变)，y值是通过改变TMIn实现的，y值采取从大变小再变大的均匀渐变方式；生长其它外延层生长条件完全一样(请参考表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，然后样品1和样品2在相同位置各自挑选100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为发光层生长参数对比表，表2为样品1、2产品电性能参数的比较表。
表1发光层生长参数的对比
表2样品1、2产品电性参数的比较
结合表1、表2和附图3的数据可得出以下结论：
将积分球获得的数据进行分析对比，请参考附图3和表2，从图3数据得出样品2较样品1光效提升8.5％，从表2数据得出样品2较样品1电压、漏电、反向电压等参数变化不大。实验数据证明了专利方案能提升LED产品内量子效率的可行性，外延晶体的质量变好，各项LED电性参数变好，实验数据证明了本专利的方案能提升LED产品晶体质量的可行性。
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LED内量子效率的外延生长方法中，采用InyGa(1-y)N层取代原来的GaN，同时实现y值的变化，由于原来InxGa(1-x)与GaN之间的晶格有差异，两者存在应力，导致InxGa(1-x)材料能带弯曲严重，电子局域化显著，电子和空穴的复合不均匀，发光效率受到影响，本专利为了调制的InxGa(1-x)应力，引入InyGa(1-y)N层材料，InyGa(1-y)N层和InxGa(1-x)晶格匹配问题可以通过改变y值进行调节，y值渐变是为了逐步释放InxGa(1-x)的应力，实现InxGa(1-x)和InyGa(1-y)N层的良好匹配，InxGa(1-x)材料中电子和空穴复合均匀化，复合效率提升，从而有效提高了LED内量子效率。
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。

Claims (7)

1.一种提高LED内量子效率的外延生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，其特征在于，
所述生长发光层进一步为：
保持反应腔压力300mbar-400mbar、温度700℃-750℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-40sccm的TMGa、1500sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5nm-3.5nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长450nm-455nm，生长过程中压力、温度以及通入NH3、TMGa、TMIn、N2的量保持恒定；
接着升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、50sccm-2000sccm的TMIn、100L/min-130L/min的N2，生长4nm-20nm的InyGa(1-y)N层，y＝0.2-0.5；生长过程中，压力、通入TMGa、N2、NH3的量保持恒定，通入TMIn的通入量从小到大变化或从大到小变化；温度控制至750℃-850℃，温度从低变高或恒定不变；InyGa(1-y)N中层y从0.2到0.5渐变、或从0.5到0.2渐变、或从0.2变化到0.5再变回0.2、或从0.5变为0.2再变回0.5；
重复InxGa(1-x)N层的生长，然后重复InyGa(1-y)N层的生长；
交替生长InxGa(1-x)N层/InyGa(1-y)N层发光层，周期数为7-15；
所述处理衬底进一步为：在1000℃-1100℃的H2气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底8min-10min。
2.根据权利要求1所述提高LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，
所述生长低温缓冲层GaN进一步为：
降温至500℃-600℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为10000sccm-20000sccm的NH3、50sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm-40nm的低温缓冲层GaN。
3.根据权利要求1所述提高LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，
所述生长不掺杂GaN层进一步为：
升高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。
4.根据权利要求1所述提高LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，
所述生长掺杂Si的N型GaN层进一步为：
保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、20sccm-50sccm的SiH4，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18atoms/cm3-1E19atoms/cm3；
保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、2sccm-10sccm的SiH4，持续生长200nm-400nm掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17atoms/cm3-1E18atoms/cm3。
5.根据权利要求1所述提高LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，
所述生长P型AlGaN层进一步为：
保持反应腔压力200mbar-400mbar、温度900℃-950℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、30sccm-60sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、100sccm-130sccm的TMAl、1000sccm-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20atoms/cm3-3E20atoms/cm3，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
6.根据权利要求1所述提高LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，
所述生长掺Mg的P型GaN层进一步为：
保持反应腔压力400mbar-900mbar、温度950℃-1000℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、1000sccm-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-100nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
7.根据权利要求1所述提高LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，
所述降温冷却进一步为：降温至650℃-680℃，保温20min-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
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