CN106328777B - 一种发光二极管应力释放层的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开发光二极管应力释放层的外延生长方法，包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、在1000‑1100℃的温度条件下通入NH3及H2将所述低温缓冲层GaN腐蚀成不规则的岛状、生长不掺杂的GaN层、生长第一掺杂Si的N型GaN层；生长第二掺杂Si的N型GaN层、生长第三掺杂Si的N型GaN层、生长第一应力释放层、生长第二应力释放层、生长nGaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺镁的P型GaN层及降温冷却。本发明消除了LED中晶格失配带来的应力。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管外延层生长的技术领域，更具体地，涉及一种发光二极管应力释放层的外延生长方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)，是半导体二极管的一种，是一种可以把电能转化成光能的设备。LED产品具有节能、环保、寿命长等优点而广受人们喜爱。目前LED市场追求的是高亮度的LED产品，传统的LED结构主要包括：基板、低温缓冲层GaN、不掺杂Si的GaN层、掺杂Si的GaN层、发光层、掺杂Mg、Al的GaN层、高温掺杂Mg的GaN、锡氧化铟(IndiumTinOxide，简称ITO)层、SiO2保护层、P电极及N电极。
如图1所示，为传统的LED外延生长方法的流程示意图，传统的LED外延生长方法包括如下步骤：
步骤101、在1000-1100℃的的氢气气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100-300mbar(气压单位)，处理蓝宝石衬底5-10分钟；
步骤102、降温至500-600℃下，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、50-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层GaN；
步骤103、升高温度1000-1100℃下，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3、100L/min-130L/min的H2、保持温度稳定持续300-500秒，对低温缓冲层GaN进行高温退火处理；
步骤104、升高温度到1000-1200℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、200-400sccm的TMGa及100-130L/min的H2，持续生长2-4μm的不掺杂GaN层；
步骤105、保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000-60000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2及20-50sccm的SiH4，持续生长3-4μm第一掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atoms/cm3(备注1E19代表10的19次方也就是10^19，以此类推)；
步骤106、保持反应腔压力、温度不变，通入流量为30000-60000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2、2-10sccm的SiH4持续生长200-400nm第二掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3；
步骤107、保持反应腔压力300-400mbar、温度750-850℃通入流量为30000-60000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、20-40sccm的TMGa、100-130L/min的N2及2-10sccm的SiH4，持续生长50-100nm掺杂Si的nGaN层，其中，Si掺杂浓度1E18-5E18atoms/cm3；
步骤108、保持反应腔压力300-400mbar、温度700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-200sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5-3.5nmInxGa(1-x)N(x＝0.20-0.25)，发光波长450-455nm；接着升高温度750-850℃，保持反应腔压力300-400mbar通入流量为50000-70000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、100-130L/min的N2，生长8-15nm的GaN层；然后重复InxGa(1-x)N的生长，然后重复GaN的生长，交替生长InxGa(1-x)N/GaN发光层，控制周期数为7-15个；
步骤109、保持反应腔压力200-400mbar、温度900-950℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMA1、1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20-3E20atoms/cm3，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm3；
步骤110、保持反应腔压力400-900mbar、温度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50-200nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E19-1E20atoms/cm3；
步骤111、最后降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
如图2所示，为通过传统的LED外延生长方法制备得到的LED结构，传统的LED结构包括如下结构：衬底201、低温缓冲层GaN202、不掺杂GaN层203、第一掺杂Si的N型GaN层204、第二掺杂Si的N型GaN层205、nGaN层206、发光层207、P型AlGaN层208、掺镁的P型GaN层209、ITO层210、SiO2保护层211、P电极212及N电极213。
传统的LED外延生长方法会导致N型GaN层和发光层之间存在很大的晶格失配，因为当在N型GaN层上生长另一种物质的单晶层(发光层)时，由于这两种物质的晶格常数不同，会在生长界面附近产生应力，进而产生晶体缺陷-即失配位错。专业上通常把这种由于衬底和外延层的晶格常数不同而产生的失配现象叫晶格失配。晶格失配导致发光层中的电子和空穴复合效率偏低，致使出现LED发光亮度不高、光效差等问题。
因此，提供一种能够解决晶格失配以提高LED发光效率的LED的外延生长方法的方案是本领域亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种发光二极管应力释放层的外延生长方法，解决了现有技术中发光二极管外延层生长导致N型GaN层和发光层之间存在很大的晶格失配的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种发光二极管应力释放层的外延生长方法，包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、在1000-1100℃的温度条件下通入NH3及H2将所述低温缓冲层GaN腐蚀成不规则的岛状、生长不掺杂的GaN层、生长第一掺杂Si的N型GaN层；生长第二掺杂Si的N型GaN层、生长第三掺杂Si的N型GaN层、生长第一应力释放层、生长第二应力释放层、生长nGaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺镁的P型GaN层及降温冷却；其中，
生长第一应力释放层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-200sccm的TMGa、50-100sccm的TEGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-2sccm的SiH4，生长96-180nm的第一应力释放层；
生长第二应力释放层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-500sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N2、0.5-1sccm的SiH4，生长30-108nm的第二应力释放层。
进一步地，其中，生长第一应力释放层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、50-100sccm的TEGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-1sccm的SiH4，生长2-3nm的第一nInGaN层，其中，In掺杂浓度为1E18-5E18atoms/cm3，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-200sccm的TMGa、100-130L/min的N2及1-2sccm的SiH4，生长30-40nm的第一nGaN层，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3；
周期性生长所述第一nInGaN层及nGaN层得到第一应力释放层，其中，生长周期为3-4。
进一步地，其中，生长第二应力释放层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-500sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-1sccm的SiH4，生长1-4nm的第二nInGaN层，其中，In掺杂浓度为5E19-1E20atoms/cm3，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、100-130L/min的N2及0.05-1sccm的SiH4，生长1-4nm的第二nGaN层，其中，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
周期性生长所述第二nInGaN层及第二nGaN层得到第二应力释放层，其中，生长周期为15-18。
进一步地，其中，生长低温缓冲层GaN，进一步为：
在500-600℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa及100L/min-130L/min的H2，在所述衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层GaN。
进一步地，其中，生长不掺杂的GaN层，进一步为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa及100-130L/min的H2，持续生长2-4μm的不掺杂的GaN层。
进一步地，其中，生长第一掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2及20-50sccm的SiH4，持续生长3-4μm第一掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atoms/cm3。
进一步地，其中，生长第二掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，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第二掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3。
进一步地，其中，生长第三掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及2-10sccm的SiH4，持续生长50-100nm的第三掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度1E18-5E18atoms/cm3。
进一步地，其中，生长nGaN层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、100-130L/min的N2及1-5sccm的SiH4，持续生长5-10nm的nGaN层，其中，Si掺杂浓度1E18-3E18atoms/cm3。
进一步地，其中，生长发光层，进一步为：
在700-750℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-200sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn及100-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5-3.5nm、发光波长为450-455nm的InxGa(1-x)N层(x＝0.20-0.25)；
升高温度至750-850℃，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa及100-130L/min的N2，生长8-15nm的GaN层；
周期性交替生长InxGa(1-x)N层及GaN层，得到InxGa(1-x)N/GaN的发光层，其中，生长周期数为7-15。
与现有技术相比，本发明的发光二极管应力释放层的外延生长方法，实现了如下的有益效果：
(1)本发明所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，通过在发光二极管的N型GaN层和发光层之间生长应力释放层，通过不同厚度、不同浓度的nGaN和nInGaN的组合，将nGaN的晶格逐步放大至InGaN的晶格，在此基础上生长含InGaN材料的发光层，使得发光层的InGaN和GaN达到完全弛豫的状态，从而消除了LED中晶格失配带来的应力。
(2)本发明所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，通过在发光二极管的N型GaN层和发光层之间生长应力释放层，使得电子和空穴在K空间(k空间是寻常空间在傅利叶转换下的对偶空间)的波函数重叠度增加，从而增加了单位时间内复合产生的光子数目，进而增强了发光二极管的发光强度和效率。
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为传统的LED外延生长方法的流程示意图；
图2为通过传统的LED外延生长方法制备得到的LED结构示意图；
图3为本发明实施例1中所述发光二极管应力释放层的外延生长方法的流程示意图；
图4为利用本发明实施例1所述的LED外延生长方法制备得到的LED结构示意图；
图5为本发明实施例2所述发光二极管应力释放层的外延生长方法的流程示意图。
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。
实施例1
如图3所示，为本实施例中发光二极管应力释放层的外延生长方法的流程示意图。在本实施例中，运用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)来生长高亮度GaN基的LED外延片，采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)、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)，衬底蓝宝石衬底，反应压力在70mbar到900mbar之间，具体生长方法步骤如下：
步骤301、在1000-1100℃的氢气气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力为100-300mbar，处理蓝宝石衬底5-10分钟。
步骤302、生长低温缓冲层GaN。
步骤303、在1000-1100℃的温度条件下通入NH3及H2将所述低温缓冲层GaN腐蚀成不规则的岛状。
步骤304、生长不掺杂的GaN层。
步骤305、生长第一掺杂Si的N型GaN层。
步骤306、生长第二掺杂Si的N型GaN层。
步骤307、生长第三掺杂Si的N型GaN层。
步骤308、生长第一应力释放层：在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-200sccm的TMGa、50-100sccm的TEGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-2sccm的SiH4，生长96-180nm的第一应力释放层(即SL1应力释放层)。
步骤309、生长第二应力释放层：在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-500sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N2、0.5-1sccm的SiH4，生长30-108nm的第二应力释放层(即SL2应力释放层)。
步骤310、生长nGaN层。
步骤311、生长发光层。
步骤312、生长P型AlGaN层：在900-950℃的温度条件下，保持反应腔压力200-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMA1及1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度为1E20-3E20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为1E19-1E20atoms/cm3。
步骤313、生长掺镁的P型GaN层：在950-1000℃的温度条件下，保持反应腔压力400-900mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2及1000-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50-200nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E19-1E20atoms/cm3。
步骤314、降温冷却：最后降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
在本实施例的LED外延生长方法中，生长SL1应力释放层及SL2应力释放层，通过不同厚度、不同浓度的nGaN及nInGaN的组合，将nGaN的晶格逐步放大至InGaN的晶格，在此基础上生长含InGaN的发光层，使得发光层的InGaN和GaN达到完全弛豫的状态，晶格失配带来的应力基本得到消除，电子和空穴在K空间的波函数重叠度增加，单位时间内复合产生的光子数目增加，进而使得发光强度和效率得到增强。
实施例2
如图5所示，为本实施例所述发光二极管应力释放层的外延生长方法的流程示意图。本实施例在实施例1的基础上说明了生长第一应力释放层及第二应力释放层的具体内容，本实施例所述的方法包括如下步骤：
步骤501、在1000-1100℃的氢气气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力为100-300mbar，处理蓝宝石衬底5-10分钟。
步骤502、生长低温缓冲层GaN，具体为：
在500-600℃的温度条件下，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm(sccm表示标准毫升每分钟)的NH3、50-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层GaN。
步骤503、在1000-1100℃的温度条件下通入NH3及H2将所述低温缓冲层GaN腐蚀成不规则的岛状。
步骤504、生长不掺杂的GaN层，具体为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa及100-130L/min的H2，持续生长2-4μm的不掺杂的GaN层。
步骤505、生长第一掺杂Si的N型GaN层，具体为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2及20-50sccm的SiH4，持续生长3-4μm第一掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atoms/cm3。
步骤506、生长第二掺杂Si的N型GaN层，具体为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，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第二掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3。
步骤507、生长第三掺杂Si的N型GaN层，具体为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及2-10sccm的SiH4，持续生长50-100nm的第三掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度1E18-5E18atoms/cm3。
步骤508、生长第一应力释放层：在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-200sccm的TMGa、50-100sccm的TEGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-2sccm的SiH4，生长96-180nm的第一应力释放层(即SL1应力释放层)。
生长第一应力释放层，具体为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、50-100sccm的TEGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-1sccm的SiH4，生长2-3nm的第一nInGaN层，其中，In掺杂浓度为1E18-5E18atoms/cm3，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-200sccm的TMGa、100-130L/min的N2及1-2sccm的SiH4，生长30-40nm的第一nGaN层，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3；
周期性生长所述第一nInGaN层及nGaN层得到第一应力释放层，其中，生长周期为3-4，其中，第一nInGaN层及第一nGaN层的生长顺序可以调换。
步骤509、生长第二应力释放层，在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-500sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N2、0.5-1sccm的SiH4，生长30-108nm的第二应力释放层(即SL2应力释放层)。
生长第二应力释放层，具体为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-500sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-1sccm的SiH4，生长1-4nm的第二nInGaN层，其中，In掺杂浓度为5E19-1E20atoms/cm3，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、100-130L/min的N2及0.05-1sccm的SiH4，生长1-4nm的第二nGaN层，其中，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
周期性生长所述第二nInGaN层及第二nGaN层得到第二应力释放层，其中，生长周期为15-18，其中，第二nInGaN层及第二nGaN层的生长顺序可以调换。。
步骤510、生长nGaN层，具体为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、100-130L/min的N2及1-5sccm的SiH4，持续生长5-10nm的nGaN层，其中，Si掺杂浓度1E18-3E18atoms/cm3。
步骤511、生长发光层，具体为：
在700-750℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-200sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn及100-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5-3.5nm、发光波长为450-455nm的InxGa(1-x)N层(x＝0.20-0.25)；
升高温度至750-850℃，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa及100-130L/min的N2，生长8-15nm的GaN层；
周期性交替生长InxGa(1-x)N层及GaN层，得到InxGa(1-x)N/GaN的发光层，其中，生长周期数为7-15。
步骤512、生长P型AlGaN层：在900-950℃的温度条件下，保持反应腔压力200-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl及1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度为1E20-3E20atoms/cm3，Mg掺杂浓度为1E19-1E20atoms/cm3。
步骤513、生长掺镁的P型GaN层：在950-1000℃的温度条件下，保持反应腔压力400-900mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2及1000-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50-200nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1E19-1E20atoms/cm3。
步骤514、降温冷却：最后降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
通过本实施例所述的LED外延生长方法制备得到的LED结构如图4所示，分别包括如下结构：衬底401、低温缓冲层GaN402、不掺杂的GaN层403、掺杂Si的N型GaN层404、掺杂In、Si的GaN材料405、SL1层406(包括：第一nInGaN层461和第一nGaN层462)、SL2层407(包括：第二nInGaN层471和第二nGaN层472)、nGaN层408、发光层409(包括：InxGa(1-x)N层491及GaN层492)、P型AlGaN层410、掺镁的P型GaN层411、ITO层412、SiO2保护层413、P电极414及N电极415。
在本实施例中，将在LED的N型GaN层和发光层之间生长应力释放层，通过In、Ga、Si、N元素的重新组合将应力释放层设计为nInGaN/nGaN超晶格层，通过nGaN中掺杂不同的In将原本nGaN晶格逐步放大接近InGaN晶格。
在生长发光层InGaN/GaN超晶格时，生长InGaN层能获得比较好晶体质量的InGaN核心发光层，InGaN核心发光层因为生长在应力释放层基础上，两者晶格比较接近。InGaN核心发光层晶格不被拉扯，相对来说晶格原子不受应力排布整齐，晶体质量比较好，在nGaN核心发光层生长的GaN，因为厚度比较薄，约8-12nm，晶格完全弛豫晶格接近InGaN核心发光层，再此基础上交替生长InGaN核心发光层和GaN层能获得较好的发光层。
相反，如果nGaN基础上没有应力释放层作为晶格过渡，nGaN因为高温生长晶体质量比较好晶格排布整齐，再此基础上生长InGaN核心发光层，InGaN核心发光层晶格大于nGaN材料，InGaN核心发光层受到很强力的应力，原子排列不整齐，再此基础上生长的GaN也是排列不整齐，导致发光层晶体不高，位错比较多，电子和空穴复合效率比较低，导致发光强度和效率相对较低。
实施例3
根据传统的LED的生长方法制备得到样品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掺杂Si的N型GaN层的生长条件不一样：生长其它外延层生长条件完全一样(具体参见考表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SiO2保护层约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。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。测试结果详情参见表2。
表1、传统方法与本发明方法生长掺杂Si的N型GaN层的参数对比表
在表1中，样品1采用传统的方法生长掺杂Si的N型GaN层，包括：第一掺杂Si的N型GaN层及第二掺杂Si的N型GaN层。样品2采用本发明的方法生长掺杂Si的N型GaN层，包括：第一掺杂Si的N型GaN层、第二掺杂Si的N型GaN层、第一应力释放层、第二应力释放层及nGaN层。
表2、样品1与样品2的产品电性参数测试结果比较表
根据表2的数据分析结论：将积分球获得的数据进行分析对比，对应表2本发明的LED光效从132.02Lm/w提升至143.59Lm/w，其他参数相差不大；说明本发明设计的外延生长方法提高LED发光强度和效率的可行性。
通过以上各个实施例可知，本发明的发光二极管应力释放层的外延生长方法，存在的有益效果是：
(1)本发明所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，通过在发光二极管的N型GaN层和发光层之间生长应力释放层，通过不同厚度、不同浓度的nGaN和nInGaN的组合，将nGaN的晶格逐步放大至InGaN的晶格，在此基础上生长含InGaN材料的发光层，使得发光层的InGaN和GaN达到完全弛豫的状态，从而消除了LED中晶格失配带来的应力。
(2)本发明所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，通过在发光二极管的N型GaN层和发光层之间生长应力释放层，使得电子和空穴在K空间(k空间是寻常空间在傅利叶转换下的对偶空间)的波函数重叠度增加，从而增加了单位时间内复合产生的光子数目，进而增强了发光二极管的发光强度和效率。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
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。
Claims (7)
1.一种发光二极管应力释放层的外延生长方法，其特征在于，包括：处理衬底、生长低温缓冲层GaN、在1000-1100℃的温度条件下通入NH3及H2将所述低温缓冲层GaN腐蚀成不规则的岛状、生长不掺杂的GaN层、生长第一掺杂Si的N型GaN层；生长第二掺杂Si的N型GaN层、生长第三掺杂Si的N型GaN层、生长第一应力释放层、生长第二应力释放层、生长nGaN层、生长发光层、生长P型AlGaN层、生长掺镁的P型GaN层及降温冷却；其中，
生长第一应力释放层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、50-100sccm的TEGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-1sccm的SiH4，生长2-3nm的第一nInGaN层,其中，In掺杂浓度为1E18-5E18atoms/cm3，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-200sccm的TMGa、100-130L/min的N2及1-2sccm的SiH4，生长30-40nm的第一nGaN层，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3；
周期性生长所述第一nInGaN层及nGaN层得到第一应力释放层，其中，生长周期为3-4；
生长第二应力释放层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-500sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及0.5-1sccm的SiH4，生长1-4nm的第二nInGaN层，其中，In掺杂浓度为5E19-1E20atoms/cm3，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、100-130L/min的N2及0.05-1sccm的SiH4，生长1-4nm的第二nGaN层，其中，Si掺杂浓度为1E17-5E17atoms/cm3；
周期性生长所述第二nInGaN层及第二nGaN层得到第二应力释放层，其中，生长周期为15-18；
生长发光层，进一步为：
在700-750℃的温度条件下，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-200sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn及100-130L/min的N2，生长掺杂In的2.5-3.5nm、发光波长为450-455nm的InxGa(1-x)N层，其中，x＝0.20-0.25；
升高温度至750-850℃，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa及100-130L/min的N2，生长8-15nm的GaN层；
周期性交替生长InxGa(1-x)N层及GaN层，得到InxGa(1-x)N/GaN的发光层，其中，生长周期数为7-15。
2.根据权利要求1所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，其特征在于，生长低温缓冲层GaN，进一步为：
在500-600℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa及100L/min-130L/min的H2，在所述衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层GaN。
3.根据权利要求1所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，其特征在于，生长不掺杂的GaN层，进一步为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa及100-130L/min的H2，持续生长2-4μm的不掺杂的GaN层。
4.根据权利要求1所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，其特征在于，生长第一掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2及20-50sccm的SiH4，持续生长3-4μm第一掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atoms/cm3。
5.根据权利要求1所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，其特征在于，生长第二掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
在1000-1200℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-600mbar，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第二掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3。
6.根据权利要求1所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，其特征在于，生长第三掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、500-1000sccm的TMIn、100-130L/min的N2及2-10sccm的SiH4，持续生长50-100nm的第三掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度1E18-5E18atoms/cm3。
7.根据权利要求1所述的发光二极管应力释放层的外延生长方法，其特征在于，生长nGaN层，进一步为：
在750-850℃的温度条件下，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、100-130L/min的N2及1-5sccm的SiH4，持续生长5-10nm的nGaN层，其中，Si掺杂浓度1E18-3E18atoms/cm3。
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