CN107482095A - 一种led外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种LED外延生长方法，在多量子阱层上依次生长作为最后垒层的AlInGaN/GaN超晶格层、作为空穴注入层的InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层，作为电子阻挡层的AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层，作为P型限制层的GaN:Mg/GaN超晶格，能够利用含Al材料的宽带隙以增加载流子的限制能力，避免过量电子泄露至P层，同时又利用含In材料对位错不敏感的特点，增加载流子的局域化作用，提高辐射复合效率；同时因超晶格层的晶格不匹配，在界面处易产生二维空穴气，借助二维空穴气，提高空穴横向扩展效率，进一步提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体涉及一种LED外延生长方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光。为了提高LED的发光效率，必须降低LED的驱动电压，尤其是降低大电流下驱动电压，这也是市场的要求之一。
但驱动电压一定程度上受到P层空穴迁移率的限制，注入的空穴浓度增加，发光层空穴和电子的复合效率增加，高光功率增加，P层空穴迁移率增加驱动电压才能降低。
传统的LED结构外延生长方法，包括如下步骤：
1、在温度为1050-1150℃，通入H2的条件下，对蓝宝石衬底进行退火处理；
2、生长低温GaN成核层，并进行原位退火处理；
3、生长低温GaN缓冲层；
4、生长非掺杂GaN层；
5、生长Si掺杂的N型GaN层；
6、生长多量子肼层；
7、生长P型AlGaN层；
8、生长Mg掺杂的P型GaN层；
9、生长p型GaN接触层；
10、在温度为650-800℃、通入N2的条件下退火处理5-10min，降至室温，结束生长；外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀的半导体加工工艺制成单颗芯片。
因此，针对上述问题，提供一种LED外延生长方法，是本技术领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为了进一步降低LED的驱动电压，本发明公开了一种LED外延生长方法，能够有效降低LED的驱动电压，从而提升LED的发光效率。
为解决上述背景技术中的问题，本发明一种LED外延生长方法，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(纯度99.999％)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100tor到1000tor之间，包括如下步骤：
在温度为1050-1150℃，氢气气氛下，处理所述衬底5-10分钟；
在500-620℃，反应腔压力为400-650Torr，通入NH3和TMGa的条件下生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层；
在温度为900-1050℃，反应腔压力为400-650Torr，通入TMGa的条件下，生长厚度为0.2-1um的GaN缓冲层；
在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-500Torr，通入NH3和TMGa的条件下，生长厚度为1-3um的非掺杂GaN层；
在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-600Torr，通入NH3、TMGa和SiH4的条件下，生长厚度为2-4um的Si掺杂的N型GaN层，Si掺杂浓度为8×1018-2×1019atoms/cm3；
生长多量子肼层，所述多量子阱层包括交替生长的InyGa1-yN阱层和GaN垒层，交替周期为5-15个，其中，
在温度为800-950℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和SiH4的条件下生长单层厚度为2-5nm的所述InyGa1-yN阱层，其中，0.1≤y≤0.3；
在温度为700-800℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa、TMIn及SiH4的条件下生长单层厚度为8-15nm的所述GaN垒层，所述垒层GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016-6×1017atoms/cm3；
生长总厚度为10-100nm的AlInGaN/GaN超晶格层，所述AlInGaN/GaN超晶格层包括交替生长的AlInGaN层和第一GaN层，交替周期控制1-50个；
生长总厚度为20-100nm的InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层，所述InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层包括交替生长的InGaN:Mg层和第一AlGaN:Mg层，交替周期为1-50个；
生长总厚度为20-100nm的AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，所述AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层包括交替生长的第二AlGaN:Mg层和第一GaN:Mg层，交替周期为1-50个；
生长总厚度为10-100nm的GaN:Mg/GaN层超晶格层作为P型限制层，所述GaN:Mg/GaN层超晶格层包括交替生长的第二GaN:Mg层和第二GaN层，交替周期为1-25个；
在温度为850-1050℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和CP2Mg的条件下，生长厚度为5-20nm的Mg:GaN层作为p型GaN接触层，其中Mg掺杂浓度为1019-1022atoms/cm3；
在温度为650-800℃，纯氮气氛的条件下退火处理5-10min，
然后降至室温，结束生长，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续半导体加工工艺制成单颗芯片。
可选地，在所述低温GaN成核层生长接收后，还包括：在温度为1000-1100℃，通入NH3的条件下，对所述低温GaN成核层进行原位退火处理，退火时间为5-10min。
可选地，生长所述AlInGaN层，进一步为：
在温度为750-900℃，反应腔压力在50-300Torr，通入TMAl、TMGa和TMIn的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述AlInGaN层；其中，所述AlInGaN层的Al的摩尔组分为1％-20％，In的摩尔组分为1-20％。
可选地，生长所述第一GaN层，进一步为：
在温度为750-900℃，反应腔压力在50-300Torr，通入TMGa的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一GaN层。
可选地，生长所述InGaN:Mg层，进一步为：
在温度为700-850℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa、TMIn和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述InGaN:Mg层；其中，Mg的浓度范围1018-1021atoms/cm3，In摩尔组分为1-10％。
可选地，生长所述第一AlGaN:Mg层，进一步为：
在温度为700-850℃，反应腔压力在100-500Torr，所用MO源为TMGa、TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一AlGaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3，Al摩尔组分为1-10％。
可选地，生长所述第二AlGaN:Mg层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在50-200Torr，通入TMGa、TMIn和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第二AlGaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3，Al的摩尔组分为5-30％。
可选地，生长所述第一GaN:Mg层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在50-200Torr，所用MO源为TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一GaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3。
可选地，生长所述第二GaN:Mg层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为2-50nm的所述第二GaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3。
可选地，生长所述第二GaN层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa的条件下，生长单层厚度为2-50nm的所述第二GaN层。
与现有技术相比，本申请所述的LED外延生长方法，达到了如下效果：
本发明提供的LED外延生长方法，生长了多层超晶格结构，先生长AlInGaN/GaN超晶格层作为最后的垒层，再生长InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层作为空穴注入层，接着生长AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，最后生长GaN:Mg/GaN超晶格作为P型限制层，目的是利用含Al材料的宽带隙以增加载流子的限制能力，避免过量电子泄露至P层，同时又利用含In材料对位错不敏感的特点，增加载流子的局域化作用，提高辐射复合效率；同时上述的超晶格层结构，因晶格不匹配，在界面处易产生二维空穴气，借助二维空穴气，提高空穴横向扩展效率，进一步提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为采用实施例1中的LED外延生长方法制备的LED外延的结构示意图；
图2为实施例1中的LED外延生长方法的流程图；
图3为实施例2中的LED外延的结构示意图；
图4为实施例2中的LED外延的生长方法的流程图；
图5为现有技术的LED外延结构示意图；
图6为现有技术的LED外延生长方法；
图7为本发明中样品1和样品2的芯片亮度分布图；
图8为本发明中样品1和样品2的芯片电压分布图。
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。
另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。
以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。
实施例1
为了进一步降低LED芯片的工作电压，提高LED芯片得到发光效率，本实施例提供了一种LED外延生长方法，图1给出了本实施例中的LED外延生长方法制备的LED外延的结构示意图，请参见图1，该LED外延，包括：依次生长在衬底101上的低温GaN成核层102、GaN层103、非掺杂GaN层10/4、N型GaN层105、多量子阱层106、AlInGaN/GaN超晶格层107、InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层108和AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层109、GaN:Mg/GaN层超晶格层110和Mg:GaN层111。其中，多量子阱层106包括交替生长的InyGa(1-y)N阱层1061和GaN垒层1062，交替周期控制在5-15个。
图2给出了本实施例中的LED外延生长方法的流程图，请参见图2，该方法所述的LED外延是采用金属化学气相沉积法MOCVD对衬底进行处理获得的，其中，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(纯度99.999％)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100tor到1000tor之间，该方法包括：
步骤S101：在温度为1050-1150℃，氢气气氛下，处理所述衬底5-10分钟。
步骤S102：生长低温GaN成核层
具体地，在500-620℃，反应腔压力为400-650Torr，通入NH3和TMGa的条件下生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层。
步骤S103：生长GaN缓冲层
具体地，在温度为900-1050℃，反应腔压力为400-650Torr，通入TMGa的条件下，生长厚度为0.2-1um的GaN缓冲层。
步骤S104：生长非掺杂GaN层
具体地，在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-500Torr，通入NH3和TMGa的条件下，生长厚度为1-3um的非掺杂GaN层。
步骤S105：生长Si掺杂的N型GaN层
具体地，在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-600Torr，通入NH3、TMGa和SiH4的条件下，生长厚度为2-4um的Si掺杂的N型GaN层，Si掺杂浓度为8×1018-2×1019atoms/cm3。
步骤S106：生长多量子肼层
具体地，所述多量子阱层包括交替生长的InyGa1-yN阱层和GaN垒层，交替周期为5-15个，其中，
在温度为800-950℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和SiH4的条件下生长单层厚度为2-5nm的所述InyGa1-yN阱层，其中，0.1≤y≤0.3；
在温度为700-800℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa、TMIn及SiH4的条件下生长单层厚度为8-15nm的所述GaN垒层，所述垒层GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016-6×1017atoms/cm3。
步骤S107：生长AlInGaN/GaN超晶格层
具体地，生长总厚度为10-100nm的AlInGaN/GaN超晶格层，所述AlInGaN/GaN超晶格层包括交替生长的AlInGaN层和第一GaN层，交替周期控制1-50个。
步骤S108：生长InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层
具体地，生长总厚度为20-100nm的InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层，所述InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层包括交替生长的InGaN:Mg层和第一AlGaN:Mg层，交替周期为1-50个。
步骤S109：生长AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层
具体地，生长总厚度为20-100nm的AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，所述AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层包括交替生长的第二AlGaN:Mg层和第一GaN:Mg层，交替周期为1-50个。
步骤S110：生长GaN:Mg/GaN层超晶格层
具体地，生长总厚度为10-100nm的GaN:Mg/GaN层超晶格层作为P型限制层，所述GaN:Mg/GaN层超晶格层包括交替生长的第二GaN:Mg层和第二GaN层，交替周期为1-25个。
步骤S111：生长Mg:GaN层
具体地，在温度为850-1050℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和CP2Mg的条件下，生长厚度为5-20nm的Mg:GaN层作为p型GaN接触层，其中Mg掺杂浓度为1019-1022atoms/cm3。
步骤S112：在温度为650-800℃，纯氮气氛的条件下退火处理5-10min。
在LED外延结构退火处理完成后，将LED外延结构然后降至室温，结束生长，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续半导体加工工艺制成单颗芯片，对单颗芯片进行检测，及封装等处理。
本实施例提供的LED外延生长方法，生长了多层超晶格结构，先生长AlInGaN/GaN超晶格层作为最后的垒层，再生长InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层作为空穴注入层，接着生长AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，最后生长GaN:Mg/GaN超晶格作为P型限制层，目的是利用含Al材料的宽带隙以增加载流子的限制能力，避免过量电子泄露至P层，同时又利用含In材料对位错不敏感的特点，增加载流子的局域化作用，提高辐射复合效率；同时上述的超晶格层结构，因晶格不匹配，在界面处易产生二维空穴气，借助二维空穴气，提高空穴横向扩展效率，进一步提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。
实施例2
为了进一步降低LED芯片的工作电压，提高LED芯片得到发光效率，本实施例提供了一种LED外延生长方法，图3给出了本实施例中的LED外延生长方法制备的LED外延的结构示意图，请参见图3，该LED外延，包括：依次生长在衬底201上的低温GaN成核层202、GaN层203、非掺杂GaN层204、N型GaN层205、多量子阱层206、AlInGaN/GaN超晶格层207、InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层208和AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层209、GaN:Mg/GaN层超晶格层210和Mg:GaN层211。其中，多量子阱层206包括交替生长的InyGa(1-y)N阱层2061和GaN垒层2062，交替周期控制在5-15个。
图4给出了本实施例中的LED外延生长方法的流程图，请参见图4，该方法所述的LED外延是采用金属化学气相沉积法MOCVD对衬底进行处理获得的，其中，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(纯度99.999％)作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)，金属有机源三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100tor到1000tor之间，该方法包括：
步骤S201：在温度为1050-1150℃，氢气气氛下，处理所述衬底5-10分钟。
步骤S202：生长低温GaN成核层
具体地，在500-620℃，反应腔压力为400-650Torr，通入NH3和TMGa的条件下生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层。
可选地，在所述低温GaN成核层生长接收后，还包括：在温度为1000-1100℃，通入NH3的条件下，对所述低温GaN成核层进行原位退火处理，退火时间为5-10min。通过对低温GaN成核层进行处理，有助于形成稳定的低温GaN成核层，在其上生长的GaN缓冲层性能更佳。
步骤S203：生长GaN缓冲层
具体地，在温度为900-1050℃，反应腔压力为400-650Torr，通入TMGa的条件下，生长厚度为0.2-1um的GaN缓冲层。
步骤S204：生长非掺杂GaN层
具体地，在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-500Torr，通入NH3和TMGa的条件下，生长厚度为1-3um的非掺杂GaN层。
步骤S205：生长Si掺杂的N型GaN层
具体地，在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-600Torr，通入NH3、TMGa和SiH4的条件下，生长厚度为2-4um的Si掺杂的N型GaN层，Si掺杂浓度为8×1018-2×1019atoms/cm3。
步骤S206：生长多量子阱层
具体地，所述多量子阱层包括交替生长的InyGa1-yN阱层和GaN垒层，交替周期为5-15个，其中，
在温度为800-950℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和SiH4的条件下生长单层厚度为2-5nm的所述InyGa1-yN阱层，其中，0.1≤y≤0.3；
在温度为700-800℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa、TMIn及SiH4的条件下生长单层厚度为8-15nm的所述GaN垒层，所述垒层GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016-6×1017atoms/cm3。
步骤S207：生长AlInGaN/GaN超晶格层
具体地，生长总厚度为10-100nm的AlInGaN/GaN超晶格层，所述AlInGaN/GaN超晶格层包括交替生长的AlInGaN层和第一GaN层，交替周期控制1-50个。
其中，生长所述AlInGaN层，进一步为：在温度为750-900℃，反应腔压力在50-300Torr，通入TMAl、TMGa和TMIn的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述AlInGaN层；其中，所述AlInGaN层的Al的摩尔组分为1％-20％，In的摩尔组分为1-20％；
生长所述第一GaN层，进一步为：在温度为750-900℃，反应腔压力在50-300Torr，通入TMGa的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一GaN层。
步骤S208：生长InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层
具体地，生长总厚度为20-100nm的InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层，所述InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层包括交替生长的InGaN:Mg层和第一AlGaN:Mg层，交替周期为1-50个。
其中，生长所述InGaN:Mg层，进一步为：
在温度为700-850℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa、TMIn和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述InGaN:Mg层；其中，Mg的浓度范围1018-1021atoms/cm3，In摩尔组分为1-10％；
生长所述第一AlGaN:Mg层，进一步为：
在温度为700-850℃，反应腔压力在100-500Torr，所用MO源为TMGa、TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一AlGaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3，Al摩尔组分为1-10％。
步骤S209：生长AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层
具体地，生长总厚度为20-100nm的AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，所述AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层包括交替生长的第二AlGaN:Mg层和第一GaN:Mg层，交替周期为1-50个。
其中，生长所述第二AlGaN:Mg层，进一步为：在温度为850-1000℃，反应腔压力在50-200Torr，通入TMGa、TMIn和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第二AlGaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3，Al的摩尔组分为5-30％；
生长所述第一GaN:Mg层，进一步为：在温度为850-1000℃，反应腔压力在50-200Torr，所用MO源为TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一GaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3。
步骤S210：生长GaN:Mg/GaN层超晶格层
具体地，生长总厚度为10-100nm的GaN:Mg/GaN层超晶格层作为P型限制层，所述GaN:Mg/GaN层超晶格层包括交替生长的第二GaN:Mg层和第二GaN层，交替周期为1-25个。
其中，生长所述第二GaN:Mg层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为2-50nm的所述第二GaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3；
生长所述第二GaN层，进一步为：在温度为850-1000℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa的条件下，生长单层厚度为2-50nm的所述第二GaN层。
步骤S211：生长Mg:GaN层
具体地，在温度为850-1050℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和CP2Mg的条件下，生长厚度为5-20nm的Mg:GaN层作为p型GaN接触层，其中Mg掺杂浓度为1019-1022atoms/cm3。
步骤S212：在温度为650-800℃，纯氮气氛的条件下退火处理5-10min。
在LED外延结构退火处理完成后，将LED外延结构然后降至室温，结束生长，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续半导体加工工艺制成单颗芯片，对单颗芯片进行检测，及封装等处理。
本实施例提供的LED外延生长方法，生长了多层超晶格结构，先生长AlInGaN/GaN超晶格层作为最后的垒层，再生长InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层作为空穴注入层，接着生长AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，最后生长GaN:Mg/GaN超晶格作为P型限制层，目的是利用含Al材料的宽带隙以增加载流子的限制能力，避免过量电子泄露至P层，同时又利用含In材料对位错不敏感的特点，增加载流子的局域化作用，提高辐射复合效率；同时上述的超晶格层结构，因晶格不匹配，在界面处易产生二维空穴气，借助二维空穴气，提高空穴横向扩展效率，进一步提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。
对比实施例
本实施例提供了一种传统的LED外延生长方法，图5给出了本实施例中的LED外延生长方法制备的LED外延的结构示意图，请参见图5，该LED外延，包括：依次生长在衬底301上的低温GaN成核层302、GaN缓冲层303、非掺杂GaN层304、N型GaN层305、多量子阱层306、P型AlGaN层307和Mg掺杂的P型GaN层308和P型GaN接触层309，其中多量子阱层306包括交替生长的InyGa(1-y)N阱层3061和GaN垒层3062，交替周期控制在5-15个。
本实施例提供的一种传统的LED外延生长方法，图6给出了本实施例中的提升内量子效率传统的LED外延生长方法的流程图，请参见图6，该方法所述的LED外延是采用金属化学气相沉积法MOCVD对基底进行处理获得的，包括：
步骤S301：在温度为1050-1150℃，通入H2的条件下，对蓝宝石衬底进行退火处理；
步骤S302：生长低温GaN成核层
具体地，在500-620℃，反应腔压力为400-650Torr，通入NH3和TMGa的条件下生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层。
可选地，在所述低温GaN成核层生长接收后，还包括：在温度为1000-1100℃，通入NH3的条件下，对所述低温GaN成核层进行原位退火处理，退火时间为5-10min。通过对低温GaN成核层进行处理，有助于形成稳定的低温GaN成核层，在其上生长的GaN缓冲层性能更佳。
步骤S303：生长低温GaN缓冲层
具体地，在温度为900-1050℃，反应腔压力为400-650Torr，通入TMGa的条件下，生长厚度为0.2-1um的GaN缓冲层。
步骤S304：生长非掺杂GaN层
具体地，在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-500Torr，通入NH3和TMGa的条件下，生长厚度为1-3um的非掺杂GaN层。
步骤S305：生长Si掺杂的N型GaN层；
具体地，在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-600Torr，通入NH3、TMGa和SiH4的条件下，生长厚度为2-4um的Si掺杂的N型GaN层，Si掺杂浓度为8×1018-2×1019atoms/cm3。
步骤S306：生长多量子阱层
具体地，所述多量子阱层包括交替生长的InyGa1-yN阱层和GaN垒层，交替周期为5-15个，其中，
在温度为800-950℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和SiH4的条件下生长单层厚度为2-5nm的所述InyGa1-yN阱层，其中，0.1≤y≤0.3；
在温度为700-800℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa、TMIn及SiH4的条件下生长单层厚度为8-15nm的所述GaN垒层，所述垒层GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016-6×1017atoms/cm3。
步骤S307：生长P型AlGaN层
在温度为900-1100℃，反应腔压力为20-200Torr，通入TMAl、TMGa和CP2Mg的条件下生长单层厚度为20-200的P型AlGaN层，P型AlGaN层的Al的摩尔组分为5％-30％，Mg掺杂浓度为1018-1021atoms/cm3。
步骤S308：生长Mg掺杂的P型GaN层
在温度为850-1000℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TMGa和CP2Mg的条件下生长单层厚度为30-300的P型GaN层，P型GaN层的，Mg掺杂浓度为1018-1021atoms/cm3。
步骤S309：生长p型GaN接触层
在温度为850-1050℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和CP2Mg的条件下生长单层厚度为30-300的P型GaN层，即Mg:GaN，Mg掺杂浓度为1019-1021atoms/cm3。
步骤S310：在温度为650-800℃、通入N2的条件下退火处理5-10min，降至室温，结束生长；外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀的半导体加工工艺制成单颗芯片。
根据传统的LED外延生长方法制备样品1，根据本发明提供的LED外延生长方法制备样品2。
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70nm，相同的条件下镀保护层SiO2约30nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm(30mil*30mil)的芯片颗粒，之后将样品1和样品2在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。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样品1和样品2的生长参数对比表
将积分球获得的数据进行分析对比，图7为本发明中样品1和样品2的芯片亮度分布图，从图7中可以看出，采用传统方法生长的样品1的LED芯片的亮度约为500mV，本发明提供的LED外延生长方法制备的样品2的LED芯片的亮度约为545mV，可见，本发明提供的LED外延生长方法制备的LED芯片的亮度更高。图8为本发明中样品1和样品2的芯片电压分布图，从表1图8中可以看出，采用传统方法生长的样品1的LED芯片的电压高于3.3V，本发明提供的LED外延生长方法制备的样品2的LED芯片的电压低于3.15V，可见，本发明提供的LED外延生长方法制备的LED芯片的工作电压更低。
总之，本申请提供的LED外延生长方法制备的LED芯片相对于传统方法制备的LED芯片来说，工作电压更低，亮度更高。
与现有技术相比，本申请所述的LED外延生长方法，达到了如下效果：
本发明提供的LED外延生长方法，生长了多层超晶格结构，先生长AlInGaN/GaN超晶格层作为最后的垒层，再生长InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层作为空穴注入层，接着生长AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，最后生长GaN:Mg/GaN超晶格作为P型限制层，目的是利用含Al材料的宽带隙以增加载流子的限制能力，避免过量电子泄露至P层，同时又利用含In材料对位错不敏感的特点，增加载流子的局域化作用，提高辐射复合效率；同时上述的超晶格层结构，因晶格不匹配，在界面处易产生二维空穴气，借助二维空穴气，提高空穴横向扩展效率，进一步提高量子阱区域的空穴注入水平，降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。
由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。
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，并能够在本文所述申请构想范围内，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 (10)
1.一种LED外延生长方法，以(0001)面蓝宝石作为衬底，采用金属有机化学气象沉积法(MOCVD)在所述衬底表面生长外延结构，其特征在于，包括：
在温度为1050-1150℃，氢气气氛下，处理所述衬底5-10分钟；
在500-620℃，反应腔压力为400-650Torr，通入NH3和TMGa的条件下生长厚度为20-40nm的低温GaN成核层；
在温度为900-1050℃，反应腔压力为400-650Torr，通入TMGa的条件下，生长厚度为0.2-1um的GaN缓冲层；
在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-500Torr，通入NH3和TMGa的条件下，生长厚度为1-3um的非掺杂GaN层；
在温度为1050-1200℃，反应腔压力为100-600Torr，通入NH3、TMGa和SiH4的条件下，生长厚度为2-4um的Si掺杂的N型GaN层，Si掺杂浓度为8×1018-2×1019atoms/cm3；
生长多量子阱层，所述多量子阱层包括交替生长的InyGa1-yN阱层和GaN垒层，交替周期为5-15个，其中，
在温度为800-950℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和SiH4的条件下生长单层厚度为2-5nm的所述InyGa1-yN阱层，其中，0.1≤y≤0.3；
在温度为700-800℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa、TMIn及SiH4的条件下生长单层厚度为8-15nm的所述GaN垒层，所述垒层GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016-6×1017atoms/cm3；
生长总厚度为10-100nm的AlInGaN/GaN超晶格层，所述AlInGaN/GaN超晶格层包括交替生长的AlInGaN层和第一GaN层，交替周期控制1-50个；
生长总厚度为20-100nm的InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层，所述InGaN:Mg/AlGaN:Mg超晶格层包括交替生长的InGaN:Mg层和第一AlGaN:Mg层，交替周期为1-50个；
生长总厚度为20-100nm的AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层作为电子阻挡层，所述AlGaN:Mg/GaN:Mg超晶格层包括交替生长的第二AlGaN:Mg层和第一GaN:Mg层，交替周期为1-50个；
生长总厚度为10-100nm的GaN:Mg/GaN超晶格层作为P型限制层，所述GaN:Mg/GaN层超晶格层包括交替生长的第二GaN:Mg层和第二GaN层，交替周期为1-25个；
在温度为850-1050℃，反应腔压力为100-500Torr，通入TEGa和CP2Mg的条件下，生长厚度为5-20nm的Mg:GaN层作为p型GaN接触层，其中Mg掺杂浓度为1019-1022atoms/cm3；
在温度为650-800℃，纯氮气氛的条件下退火处理5-10min，
然后降至室温，结束生长，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续半导体加工工艺制成单颗芯片。
2.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，在所述低温GaN成核层生长接收后，还包括：在温度为1000-1100℃，通入NH3的条件下，对所述低温GaN成核层进行原位退火处理，退火时间为5-10min。
3.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述AlInGaN层，进一步为：
在温度为750-900℃，反应腔压力在50-300Torr，通入TMAl、TMGa和TMIn的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述AlInGaN层；其中，所述AlInGaN层的Al的摩尔组分为1％-20％，In的摩尔组分为1-20％。
4.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述第一GaN层，进一步为：
在温度为750-900℃，反应腔压力在50-300Torr，通入TMGa的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一GaN层。
5.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述InGaN:Mg层，进一步为：
在温度为700-850℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa、TMIn和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述InGaN:Mg层；其中，Mg的浓度范围1018-1021atoms/cm3，In摩尔组分为1-10％。
6.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述第一AlGaN:Mg层，进一步为：
在温度为700-850℃，反应腔压力在100-500Torr，所用MO源为TMGa、TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一AlGaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3，Al摩尔组分为1-10％。
7.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述第二AlGaN:Mg层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在50-200Torr，通入TMGa、TMIn和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第二AlGaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3，Al的摩尔组分为5-30％。
8.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述第一GaN:Mg层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在50-200Torr，所用MO源为TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为1-50nm的所述第一GaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3。
9.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述第二GaN:Mg层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa和CP2Mg的条件下，生长单层厚度为2-50nm的所述第二GaN:Mg层；其中，Mg的浓度为1018-1021atoms/cm3。
10.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，生长所述第二GaN层，进一步为：
在温度为850-1000℃，反应腔压力在100-500Torr，通入TMGa的条件下，生长单层厚度为2-50nm的所述第二GaN层。
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| GR01 | Patent grant | ||
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