CN106328780B - 基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，包括：处理衬底、生长AlxGa(1‑x)N层、生长AlyGa(1‑y)N层、生长SivAlzGa(1‑z‑v)N层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长Inx1Ga(1‑x1)N/GaN发光层，其中，x1＝0.20‑0.25，生长P型AlGaN层、生长掺镁的P型GaN层、降温冷却。本发明使得外延生长简单化，提升了LED的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管衬底外延生长的技术领域，更具体地，涉及一种基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法。
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：基板衬底、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。
现有的LED外延生成过程中，都采用蓝宝石PSS衬底生长外延层。但是PSS衬底生长外延层会造成在外延层中存在很大密度的缺陷，使得制备的外延片波长命中率低、外延片晶体质量轻、发光层的晶体质量差，P层的掺杂效率降低，空穴的迁移率降低；导致制备得到LED出现亮度下降、光效降低、反向电压降低、抗静电能力差等问题。
如图1及图2所示，图1为现有技术中传统LED衬底外延生长方法的流程示意图；图2为利用现有技术中发光二极管衬底外延生长方法的制备得到传统LED的结构示意图。其中，传统LED衬底外延生长方法包括如下步骤：
步骤101、处理蓝宝石衬底：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(mbar为气压单位)，处理蓝宝石衬底5-10分钟。
步骤102、生长低温缓冲层GaN：降温至500-600℃，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、将低温缓冲层GaN腐蚀成不规则岛状：升高温度至 1000-1100℃，保持反应腔压力为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300-500s低温将GaN 腐蚀成不规则岛状。
步骤104、生长不掺杂的U型GaN层：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、100-130L/min的H2、持续生长2-4μm 的不掺杂GaN。
步骤105、生长第一掺杂Si的N型GaN层：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、20-50sccm的SiH4持续生长3-4μm 的第一掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3(备注1E19 代表10的19次方也就是10∧19，以此类推)。
步骤106、生长第二掺杂Si的N型GaN层：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的第二掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E17-1E18atom/cm3。
步骤107、生长发光层中掺杂Si的N型GaN层：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、2-10sccm的 SiH4持续生长50-100nm掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度1E18-5E18 atom/cm3。
步骤108、生长发光层中的InxGa（1-x)N/GaN层：保持反应腔压力 300-400mbar、温度700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-40sccm 的TMGa、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、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的N2，生长8-15nmGaN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、生长P型AlGaN层：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TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长 50-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg掺杂浓度 1E19-1E20atom/cm3。
步骤110、生长掺镁的P型GaN层：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1E19-1E20atom/cm3。
步骤111、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。
如图2所示，传统利用现有技术中发光二极管衬底外延生长方法的制备得到传统LED，由下至上包括如下结构：基板201、为低温缓冲层GaN层 202、U型GaN层203、N型GaN层204、N电极205、发光层206(包括 GaN层261和InxGa(1-x)N层262)、掺杂Mg、Al的P型AlGaN层207、高温掺杂Mg的P型GaN层208、ITO层209、SiO2保护层210及P电极 211。
因此，提供一种外延片波长命中率高、光效好、亮度高、电压低，反向电压高、抗静电能力强的LED衬底外延生长方法是本领域亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，解决了现有技术中LED的外延片波长命中率低、光效差、亮度低、电压高，反向电压低、抗静电能力差的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，包括：处理衬底、生长AlxGa（1-x)N层、生长AlyGa（1-y) N层、生长SivAlzGa(1-z-v)N层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长Inx1Ga (1-x1)N/GaN发光层，其中，x1＝0.20-0.25，生长P型AlGaN层、生长掺镁的P型GaN层、降温冷却；其中，
生长AlxGa(1-x)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为900-1000℃，同时通入流量为 30000-40000sccm的NH3、100-130L/min的N2、50-100sccm的TMGa及 100-200sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlxGa(1-x)N层(x取值范围：0.10-0.15)；
生长AlyGa(1-y)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-50000sccm的NH3、100-130L/min的N2、100-200sccm的TMGa 及50-100sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlyGa(1-y)N层(y 取值范围：0.05-0.10)；
生长SivAlzGa(1-z-v)N层，进一步为：
保持反应腔压力为300-600mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-130L/min的H2、200-300sccm的TMGa、 50-100sccm的TMAl及5-10sccm的SiH4的条件下，生长500-800nm的 SivAlzGa(1-z-v)N层(z取值范围：0.03-0.05；v的取值范围为：0.005-0.01)， Si的掺杂浓度5E17-5E18atom/cm3。
进一步地，其中，处理衬底，进一步为：
向放置有衬底的金属有机化学气相沉积系统的反应腔内，同时通入流量为10000-20000sccm的NH3、100-130L/min的H2，升高温度至900-1000℃，在反应腔压力为100-200mbar的条件下，处理所述衬底。
进一步地，其中，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：通入NH3、 TMGa、H2及SiH4持续生长掺杂Si的N型GaN层。
进一步地，其中，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
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的掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3。
进一步地，其中，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
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的第一掺杂Si的N型GaN层，其中， Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3；
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、 2-10sccm的SiH4持续生长200-400nm的第二掺杂Si的N型GaN层，其中， Si掺杂浓度5E17-1E18atom/cm3。
进一步地，其中，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
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的第一掺杂Si的N型GaN层，其中， Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3；
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、 2-10sccm的SiH4持续生长200-400nm的第二掺杂Si的N型GaN层，其中， Si掺杂浓度5E17-1E18atom/cm3；
保持反应腔压力为300-400mbar、温度为750-850℃，通入流量为 30000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、100-130L/min的N2、2-10sccm 的SiH4持续生长50-100nm的第三掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度 1E18-5E18atom/cm3。
进一步地，其中，生长Inx1Ga(1-x1)N/GaN发光层，进一步为：
保持反应腔压力为300-400mbar、温度为700-750℃，通入流量为 50000-70000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn 及100-130L/min的N2的条件下，生长2.5-3.5nm掺杂In的Inx1Ga(1-x1)N 层，其中，x1＝0.20-0.25，发光波长为450-455nm；
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、20-100sccm的TMGa及100-130L/min的N2的条件下，生长8-15nm的发光GaN层；重复交替生长Inx1Ga(1-x1)N层和发光 GaN层，得到Inx1Ga（1-x1)N/GaN发光层，其中，Inx1Ga(1-x1)N层和发光 GaN层的交替生长周期数为7-15。
进一步地，其中，生长P型AlGaN层，进一步为：
保持反应腔压力为200-400mbar、温度为900-950℃，通入流量为 50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、 100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的P 型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg掺杂浓度 1E19-1E20atom/cm3。
进一步地，其中，生长掺镁的P型GaN层，进一步为：
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50-200nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3。
进一步地，其中，降温冷却，进一步为：
降温至650-680℃后，保温20-30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却得到基于AlN模板的发光二极管。
与现有技术相比，本发明的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，实现了如下的有益效果：
(1)本发明所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，通过溅射原理在LED的衬底上溅射AlN模板，利用AlN模板取代传统LED 的低温GaN层，只需要直接在AlN模板上实现高温NGaN的生长，不需要像传统LED的低温GaN层以及将低温GaN层腐蚀成岛状，使得外延生长简单化，提升了LED的生产效率。
(2)本发明所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，在AlN模板上生长AlGaN层和nAlGaN层，很好地解决了从AlN模板到N 型GaN层的过渡，解决了在AlN模板上直接生长GaN生长工艺复杂，生长得到的U型GaN和N型GaN翘曲度极大的问题。
(3)本发明所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，使得LED中外延片波长命中率提高、外延片晶体质量提升、发光层的晶体质量变好、P型GaN层的掺杂效率提高、空穴的迁移率提升、波长命中率提高提升了LED的亮度和光效，P型GaN层的空穴迁移率提升，使得电压会下降；晶体质量的提升，使得反向电压增加、抗静电能力得到提升，整体提升了LED的发光效率。
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为现有技术中传统LED衬底外延生长方法的流程示意图；
图2为利用现有技术中发光二极管衬底外延生长方法的制备得到传统 LED的结构示意图；
图3为本发明实施例1所述基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法的流程示意图；
图4为利用本发明实施例1中所述基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法制备得到LED的结构示意图；
图5为本发明实施例2所述基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法的流程示意图。
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，为本实施例所述基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法的流程示意图，本实施例所述的方法解决了现有技术中制备LED 的方法使得制备的外延片波长命中率低、外延片晶体质量轻、发光层的晶体质量差，P层的掺杂效率降低，空穴的迁移率降低；导致制备得到LED 出现亮度下降、光效降低、反向电压降低、抗静电能力差等问题。
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，具体包括如下步骤：
步骤301、处理蓝宝石衬底。
步骤302、生长AlxGa(1-x)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为900-1000℃，同时通入流量为 30000-40000sccm的NH3、100-130L/min的N2、50-100sccm的TMGa及 100-200sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlxGa（1-x)N层(x取值范围：0.10-0.15)。
步骤303、生长AlyGa(1-y)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-50000sccm的NH3、100-130L/min的N2、100-200sccm的TMGa 及50-100sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlyGa（1-y)N层(y 取值范围：0.05-0.10)。
步骤304、生长SivAlzGa(1-z-v)N层，进一步为：
保持反应腔压力为300-600mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-130L/min的H2、200-300sccm的TMGa、 50-100sccm的TMAl及5-10sccm的SiH4的条件下，生长500-800nm的 SivAlzGa（1-z-v)N层(z取值范围：0.03-0.05；v的取值范围为：0.005-0.01)， Si的掺杂浓度5E17-5E18atom/cm3。
步骤305、生长掺杂Si的N型GaN层。
步骤306、生长Inx1Ga（1-x1)N/GaN发光层，其中，x1＝0.20-0.25。
步骤307、生长P型AlGaN层。
步骤308、生长掺镁的P型GaN层。
步骤309、降温冷却。
在LED制造过程中，在AlN层上直接生长GaN层的生长工艺十分复杂，生长完的U型GaN层和N型GaN层之间的翘曲度也很大，需要通过非常严格的控制才能生长出质量比较好的GaN层，同时波长命中率偏低，无法实现大规模量产化，本实施例在AlN模板上生长AlGaN层和nAlGaN 层，就很好地避免这些问题，将生长工艺参数调节达到很宽的范围，提高了外延片波长命中率，提升了外延片晶体质量，从而提升了LED的制备工艺。
如图4所示，为利用本实施例所述基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法制备得到LED的结构示意图，该LED包括如下结构：衬底 401、AlxGa(1-x)N层402、AlyGa(1-y)N层403、SivAlzGa（1-z-v)N层404、掺杂Si的N型GaN层405、Inx1Ga(1-x1)N/GaN发光层406、P型AlGaN层407、掺镁的P型GaN层408、ITO层409、SiO2保护层410、N电极411 及P电极412。
实施例2
如图3-5所示，图5为本实施例所述基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法的流程示意图，在实施例1的基础上，描述了基于AlN模板整体生长发光二极管外延层的具体内容。本实施例所述基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，包括如下步骤：
步骤501、处理蓝宝石衬底：向放置有衬底的金属有机化学气相沉积系统的反应腔内，同时通入流量为10000-20000sccm的NH3、100-130L/min 的H2，升高温度至900-1000℃，在反应腔压力为100-200mbar的条件下，处理所述衬底300s-600s。
步骤502、生长AlxGa(1-x)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为900-1000℃，同时通入流量为 30000-40000sccm的NH3、100-130L/min的N2、50-100sccm的TMGa及 100-200sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlxGa(1-x)N层(x取值范围：0.10-0.15)。
步骤503、生长AlyGa（1-y)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-50000sccm的NH3、100-130L/min的N2、100-200sccm的TMGa 及50-100sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlyGa(1-y)N层(y 取值范围：0.05-0.10)。
步骤504、生长SivAlzGa（1-z-v)N层，进一步为：
保持反应腔压力为300-600mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-130L/min的H2、200-300sccm的TMGa、 50-100sccm的TMAl及5-10sccm的SiH4的条件下，生长500-800nm的 SivAlzGa(1-z-v)N层(z取值范围：0.03-0.05；v的取值范围为：0.005-0.01)， Si的掺杂浓度5E17-5E18atom/cm3。
步骤505、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的第一掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3。
步骤506、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、2-10sccm的SiH4持续生长200-400nm的第二掺杂Si的N型GaN 层，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atom/cm3。
步骤507、保持反应腔压力为300-400mbar、温度为750-850℃，通入流量为30000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、100-130L/min的 N2、2-10sccm的SiH4持续生长50-100nm的第三掺杂Si的N型GaN层， Si掺杂浓度1E18-5E18atom/cm3。
步骤508、生长Inx1Ga（1-x1)N/GaN发光层，其中，x1＝0.20-0.25。具体步骤包括：保持反应腔压力为300-400mbar、温度为700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn 及100-130L/min的N2的条件下，生长2.5-3.5nm掺杂In的Inx1Ga（1-x1）N 层，其中，x1＝0.20-0.25，发光波长为450-455nm；
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、20-100sccm的TMGa及100-130L/min的N2的条件下，生长8-15nm的发光GaN层；重复交替生长Inx1Ga(1-x1）N/GaN层和发光GaN层，得到Inx1Ga（1-x1）N/GaN/GaN发光层，其中，Inx1Ga（1-x1)N/GaN 层和发光GaN层的交替生长周期数为7-15。
步骤509、生长P型AlGaN层：保持反应腔压力为200-400mbar、温度为900-950℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、 100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3， Mg掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3。
步骤510、生长掺镁的P型GaN层：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50-200nm 的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3。
步骤511、降温冷却：降温至650-680℃后，保温20-30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却得到基于AlN模板的发光二极管。
本实施例所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，在 AlN模板上生长AlGaN层和nAlGaN层，很好地解决了从AlN模板到N型 GaN层的过渡，解决了在AlN模板上直接生长GaN生长工艺复杂，生长得到的U型GaN和N型GaN翘曲度极大的问题。
实施例3
在本实施例中，根据传统的LED的生长方法制备得到LED样品1，根据本发明的LED生长方法制备得到样品2；样品1和样品2外延生长方法参数如表1所示。将样品1和样品2同时放入XRD测量设备(X-ray Diffraction，也称X射线衍射仪)内测量GaN层面的数值、发光层面数值，具体参见表3。然后将样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀上约150nm厚的ITO层；在相同的条件下镀上约1500nm的Cr/Pt/Au电极；在相同的条件下镀上约100nm 厚的保护层SiO2，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，之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。再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，结果参见表2。
表1、样品1和样品2的生长参数的对比表
表2样品1和样品2产品电性参数的比较结果表
表3样品1和样品2外延片XRD参数的测定结果表
根据上述测试结果列表数据分析可知：将积分球获得的数据进行分析对比，表3测试数据表明AlN模板生长方法的运用N型GaN的晶体质量得到提升，发光层晶体质量得到提升，对应表2中本发明的LED光效从125m/w提升至145Lm/w，电压下降约0.1V，其他参数变好；说明本发明设计的LED外延生长方法在AlN模板上生长的LED可以实行量产化，并取得很好的LED 产品。
通过以上各个实施例可知，本发明的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，存在的有益效果是：
(1)本发明所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，通过溅射原理在LED的衬底上溅射AlN模板，利用AlN模板取代传统LED 的低温GaN层，只需要直接在AlN模板上实现高温NGaN的生长，不需要像传统LED的低温GaN层以及将低温GaN层腐蚀成岛状，使得外延生长简单化，提升了LED的生产效率。
(2)本发明所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，在AlN模板上生长AlGaN层和nAlGaN层，很好地解决了从AlN模板到N 型GaN层的过渡，解决了在AlN模板上直接生长GaN生长工艺复杂，生长得到的U型GaN和N型GaN翘曲度极大的问题。
(3)本发明所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，使得LED中外延片波长命中率提高、外延片晶体质量提升、发光层的晶体质量变好、P型GaN层的掺杂效率提高、空穴的迁移率提升、波长命中率提高提升了LED的亮度和光效，P型GaN层的空穴迁移率提升，使得电压会下降；晶体质量的提升，使得反向电压增加、抗静电能力得到提升，整体提升了LED的发光效率。
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 (9)
1.一种基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，包括：处理衬底、生长AlxGa(1-x)N层、生长AlyGa(1-y)N层、生长SivAlzGa(1-z-v)N层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长Inx1Ga(1-x1)N/GaN发光层，其中，x1＝0.20-0.25，生长P型AlGaN层、生长掺镁的P型GaN层、降温冷却；其中，
生长AlxGa(1-x)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为900-1000℃，同时通入流量为30000-40000sccm的NH3、100-130L/min的N2、50-100sccm的TMGa及100-200sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlxGa(1-x)N层，x取值范围：0.10-0.15；
生长AlyGa(1-y)N层，进一步为：
保持反应腔压力为100-300mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-50000sccm的NH3、100-130L/min的N2、100-200sccm的TMGa及50-100sccm的TMAl的条件下，生长500-800nm的AlyGa(1-y)N层，y取值范围：0.05-0.10；
生长SivAlzGa(1-z-v)N层，进一步为：
保持反应腔压力为300-600mbar、温度为1000-1200℃，同时通入流量为30000-60000sccm的NH3、100-130L/min的H2、200-300sccm的TMGa、50-100sccm的TMAl及5-10sccm的SiH4的条件下，生长500-800nm的SivAlzGa(1-z-v)N层，z取值范围：0.03-0.05，v的取值范围为：0.005-0.01，Si的掺杂浓度5E17-5E18atom/cm3；
处理衬底，进一步为：
向放置有衬底的金属有机化学气相沉积系统的反应腔内，同时通入流量为10000-20000sccm的NH3、100-130L/min的H2，升高温度至900-1000℃，在反应腔压力为100-200mbar的条件下，处理所述衬底。
2.根据权利要求1所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：通入NH3、TMGa、H2及SiH4持续生长掺杂Si的N型GaN层。
3.根据权利要求2所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
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的掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3。
4.根据权利要求3所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
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的第一掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3；
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、2-10sccm的SiH4持续生长200-400nm的第二掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atom/cm3。
5.根据权利要求4所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，生长掺杂Si的N型GaN层，进一步为：
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的第一掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3；
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、2-10sccm的SiH4持续生长200-400nm的第二掺杂Si的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度5E17-1E18atom/cm3；
保持反应腔压力为300-400mbar、温度为750-850℃，通入流量为30000-60000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、100-130L/min的N2、2-10sccm的SiH4持续生长50-100nm的第三掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度1E18-5E18atom/cm3。
6.根据权利要求1所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，生长Inx1Ga(1-x1)N/GaN发光层，进一步为：
保持反应腔压力为300-400mbar、温度为700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn及100-130L/min的N2的条件下，生长2.5-3.5nm掺杂In的Inx1Ga(1-x1)N层，其中，x1＝0.20-0.25，发光波长为450-455nm；
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、20-100sccm的TMGa及100-130L/min的N2的条件下，生长8-15nm的发光GaN层；重复交替生长Inx1Ga(1-x1)N层和发光GaN层，得到Inx1Ga(1-x1)N/GaN发光层，其中，Inx1Ga(1-x1)N层和发光GaN层的交替生长周期数为7-15。
7.根据权利要求1所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，生长P型AlGaN层，进一步为：
保持反应腔压力为200-400mbar、温度为900-950℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，其中，Al掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3。
8.根据权利要求1所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，生长掺镁的P型GaN层，进一步为：
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50-200nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3。
9.根据权利要求1所述的基于AlN模板的发光二极管衬底外延生长的方法，其特征在于，降温冷却，进一步为：
降温至650-680℃后，保温20-30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却得到基于AlN模板的发光二极管。
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