CN111276579A - 一种led外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种LED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、生长多量子阱层、生长AlGaN电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，其中生长多量子阱层依次包括生长AlN过渡层、生长InGaN阱层、生长低温AlN层、生长高温AlN‑1层、生长中温InN‑1层、生长高温AlN‑2层、生长中温InN‑2层、生长高温AlN‑3层和生长GaN垒层的步骤。本发明方法解决现有LED外延生长方法中存在的量子阱生长质量不高及量子阱辐射复合效率低下的问题，从而提高LED的发光效率，并降低正向驱动电压。
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，电子与空穴在其量子阱内复合而发出单色光。LED作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性、色彩丰富等优点。目前国内生产LED的规模正在逐步扩大，但是LED仍然存在发光效率低下的问题，影响LED的节能效果。
目前传统的LED外延InGaN/GaN多量子阱层生长方法中，InGaN/GaN多量子阱层品质不高，量子阱发光区辐射效率低下，严重阻碍了LED发光效率的提高，影响LED的节能效果。
因此，提供一种新的LED外延结构生长方法，解决现有LED多量子阱层中存在的量子阱生长质量不高及量子阱辐射复合效率低下的问题，从而提高LED的发光效率，是本技术领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明通过采用新的多量子阱层生长方法来解决现有LED外延生长方法中存在的量子阱生长质量不高及量子阱辐射复合效率低下的问题，从而提高LED的发光效率，并降低正向驱动电压。
本发明的LED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、生长多量子阱层、生长AlGaN电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却；所述生长多量子阱层依次包括：生长AlN过渡层、生长InGaN阱层、生长低温AlN层、生长高温AlN-1层、生长中温InN-1层、生长高温AlN-2层、生长中温InN-2层、生长高温AlN-3层和生长GaN垒层，具体为：
A、将反应腔压力控制在100-120mbar，反应腔温度控制在900-950℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2,生长厚度为3nm-5nm的AlN过渡层，在AlN过渡层生长过程中，TMAl源保持常开，而NH3采用脉冲方式交替通入反应腔，NH3中断和通入反应腔的时间分别是10s和5s；
B、将反应腔压力提高至200-280mbar，反应腔温度不变，通入流量为10000-15000sccm的NH3、200-300sccm的TMGa以及1300-1400sccm的TMIn，生长厚度为3nm的InGaN阱层；
C、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至500-580℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的低温AlN层；
D、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-1层；
E、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至750℃，通入300-380sccm的NH3、1000-2000sccm的TMIn以及100-120sccm的N2，生长厚度为5nm-7nm的中温InN-1层；
F、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-2层；
G、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至750℃，通入300-380sccm的NH3、1000-2000sccm的TMIn以及100-120sccm的N2，生长厚度为5nm-7nm的中温InN-2层；
H、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-3层；
I、降低温度至800℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、20sccm-60sccm的TMGa及100L/min-130L/min的N2，生长10nm的GaN层；
重复上述步骤A-I，周期性依次生长AlN过渡层、InGaN阱层、低温AlN层、高温AlN-1层、中温InN-1层、高温AlN-2层、中温InN-2层、高温AlN-3层和GaN垒层，生长周期数为2-6个。
优选地，所述处理衬底的具体过程为：
在1000℃-1100℃的温度下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底5min-10min。
优选地，所述生长低温缓冲层GaN的具体过程为：
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及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；
升高温度到1000℃-1100℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、100L/min-130L/min的H2，保温300s-500s，将低温缓冲层GaN腐蚀成不规则岛形。
优选地，所述生长不掺杂GaN层的具体过程为：
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及100L/min-130L/min的H2，持续生长2μm-4μm的不掺杂GaN层。
优选地，所述生长掺杂GaN层的具体过程为：
保持反应腔压力300mbar-600mbar，保持温度1000℃-1200℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2及20sccm-50sccm的SiH4，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E18atoms/cm3-1E19atoms/cm3。
优选地，所述生长AlGaN电子阻挡层的具体过程为：
在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层，所述AlGaN层的厚度为40-60nm，其中，Mg掺杂的浓度为1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
优选地，所述生长掺Mg的P型GaN层的具体过程为：
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及1000sccm-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-200nm的掺Mg的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
优选地，所述降温冷却的具体过程为：
降温至650℃-680℃，保温20min-30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
相比于传统的生长方法，本发明中的LED外延生长方法达到了如下效果：
1、本发明通过在量子阱中依次插入低温AlN层、高温AlN-1层、中温InN-1层、高温AlN-2层、中温InN-2层、高温AlN-3层结构，使整个量子阱层形成了梯度的电容结构，可以达到限流作用，极大程度地减少了大电流密度下的发光衰减效应；并可以阻碍电荷径向移动，使电荷向四周扩散，即加强电流横向扩展能力，从而提高LED发光效率，并且正向驱动电压更低。
2、本发明的量子阱层通过在三层高温AlN层中插入两层中温InN层，可以促使AlN表面发生二次成核过程，形成的低缺陷三维小岛能够在之后的外延过程中发生有效的侧向生长过程，实现使位错弯曲的目的，成功的将量子阱层的位错密度由原来的3×1010cm-2降低至4×109cm-2，量子阱层的晶体质量得到大幅提升，同时量子阱层的表面能够达到原子级平整，为后续的外延生长打下了良好的基础。
3、本发明在生长量子阱InGaN阱层之前先生长AlN过渡层，能够在量子阱附近形成有效的势垒差，势垒差能够抑制量子阱内的空穴溢出量子阱，从而能够有效提升量子阱内的空穴浓度，进而提高了电子与空穴的复合几率，提升LED发光效率。在生长AlN过渡层的过程中，NH3采用脉冲方式交替通入反应腔，这种方法促成了AlN生长模式的渐变以促进位错的湮灭，同时使得AlN薄膜中晶粒的大小逐渐增加，在有效降低位错密度的同时减小了生长过程中的张应力，有利于提高后续量子阱的生长质量。
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为本发明方法制备的LED外延的结构示意图；
图2为现有传统方法制备的LED外延的结构示意图；
其中，1、蓝宝石衬底，2、低温GaN缓冲层，3、非掺杂GaN层，4、n型GaN层，5、多量子阱发光层，6、AlGaN电子阻挡层，7、P型GaN，51、AlN过渡层，52、InGaN阱层，53、低温AlN层，54、高温AlN-1层，55、中温InN-1层，56、高温AlN-2层，57、中温InN-2层，58、高温AlN-3层58，59、GaN垒层。
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。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
本实施例采用本发明提供的LED外延生长方法，采用MOCVD来生长高亮度GaN基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)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)，反应压力在70mbar到900mbar之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图1)：
一种LED外延生长方法，依次包括：处理蓝宝石衬底1、生长低温缓冲层GaN2、生长不掺杂GaN层3、生长掺杂Si的N型GaN层4、生长多量子阱发光层5、生长AlGaN电子阻挡层6、生长掺杂Mg的P型GaN层7，降温冷却；其中，
步骤1：处理蓝宝石衬底1。
具体地，所述步骤1，进一步为：
在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130L/min的H2的条件下，处理蓝宝石衬底5-10分钟。
步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。
具体地，所述步骤2，进一步为：
在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2的条件下，在所述蓝宝石衬底上生长所述低温GaN缓冲层2，所述低温GaN缓冲层2的厚度为20-40nm；
在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3、100L/min-130L/min的H2的条件下，在所述低温GaN缓冲层2上形成所述不规则小岛。
步骤3：生长非掺杂GaN层3。
具体地，所述步骤3，进一步为：
在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2的条件下，生长的所述非掺杂GaN层3；所述非掺杂GaN层3的厚度为2-4μm。
步骤4：生长Si掺杂的N型GaN层4。
具体地，所述步骤4，进一步为：
保持反应腔压力300mbar-600mbar，保持温度1000℃-1200℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2及20sccm-50sccm的SiH4，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN层4，其中，Si掺杂浓度5E18atoms/cm3-1E19atoms/cm3。
步骤5：生长多量子阱发光层5。
所述生长多量子阱发光层5，进一步为：
(1)将反应腔压力控制在100-120mbar，反应腔温度控制在900-950℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2,生长厚度为3nm-5nm的AlN过渡层51，在AlN过渡层51生长过程中，TMAl源保持常开，而NH3采用脉冲方式交替通入反应腔，NH3中断和通入反应腔的时间分别是10s和5s；(2)将反应腔压力提高至200-280mbar，反应腔温度不变，通入流量为10000-15000sccm的NH3、200-300sccm的TMGa以及1300-1400sccm的TMIn，生长厚度为3nm的InGaN阱层52；(3)保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至500-580℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的低温AlN层53；(4)保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-1层54；(5)保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至750℃，通入300-380sccm的NH3、1000-2000sccm的TMIn以及100-120sccm的N2，生长厚度为5nm-7nm的中温InN-1层55；(6)保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-2层56；(7)保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至750℃，通入300-380sccm的NH3、1000-2000sccm的TMIn以及100-120sccm的N2，生长厚度为5nm-7nm的中温InN-2层57；(8)保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-3层58；(9)降低温度至800℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、20sccm-60sccm的TMGa及100L/min-130L/min的N2，生长10nm的GaN层59；
重复上述步骤A-I，周期性依次生长AlN过渡层51、InGaN阱层52、低温AlN层53、高温AlN-1层54、中温InN-1层55、高温AlN-2层56、中温InN-2层57、高温AlN-3层58和GaN垒层59，生长周期数为2-6个。
步骤6：生长AlGaN电子阻挡层6。
具体地，所述步骤6，进一步为：
在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层6，所述AlGaN层6的厚度为40-60nm，其中，Mg掺杂的浓度为1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
步骤7：生长Mg掺杂的P型GaN层7。
具体地，所述步骤7，进一步为：
在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2、1000-3000sccm的Cp2Mg的条件下，生长厚度为50-200nm的Mg掺杂P型GaN层7，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
实施例2
以下提供对比实施例，即现有传统LED外延的生长方法。
步骤1：在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130L/min的H2的条件下，处理蓝宝石衬底5-10分钟。
步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。
具体地，所述步骤2，进一步为：
在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2的条件下，在所述蓝宝石衬底上生长所述低温GaN缓冲层2，所述低温GaN缓冲层2的厚度为20-40nm；
在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3、100L/min-130L/min的H2的条件下，在所述低温GaN缓冲层2上形成所述不规则小岛。
步骤3：生长非掺杂GaN层3。
具体地，所述步骤3，进一步为：
在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2的条件下，生长的所述非掺杂GaN层3；所述非掺杂GaN层3的厚度为2-4μm。
步骤4：生长Si掺杂的N型GaN层4。
具体地，所述步骤4，进一步为：
在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2、20-50sccm的SiH4的条件下，生长Si掺杂的N型GaN层4，所述n型GaN的厚度为3-4μm，Si掺杂的浓度为5E18atoms/cm3-1E19atoms/cm3。
步骤5：生长InGaN/GaN多量子阱发光层5。
具体地，所述生长多量子阱发光层，进一步为：
保持反应腔压力300mbar-400mbar、保持温度720℃，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-40sccm的TMGa、10000-15000sccm的TMIn及100L/min-130L/min的N2，生长掺杂In的厚度为3nm的InGaN层52；
升高温度至800℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为50000sccm-70000sccm的NH3、20sccm-100sccm的TMGa及100L/min-130L/min的N2，生长10nm的GaN层59；
重复交替生长InGaN层52和GaN层59，得到InGaN/GaN多量子阱发光层，其中，InGaN层52和GaN层59的交替生长周期数为7-13个。
步骤6：生长AlGaN电子阻挡层6。
具体地，所述步骤6，进一步为：
在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层6，所述AlGaN层的厚度为40-60nm，其中，Mg掺杂的浓度为1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
步骤7：生长Mg掺杂的P型GaN层7。
具体地，所述步骤7，进一步为：
在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2、1000-3000sccm的Cp2Mg的条件下，生长厚度为50-200nm的Mg掺杂P型GaN层7，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
根据上述实施例1和实施例2分别制得样品1和样品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，之后将样品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。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的电性参数比较结果
将积分球获得的数据进行分析对比，从表1中可以看出，本发明提供的LED外延生长方法制备的LED(样品1)发光效率得到明显提升，并且电压、反向电压、漏电、抗静电能力等其它各项LED电性参数变好，是因为本专利技术方案解决了现有LED存在的量子阱生长质量不高及量子阱辐射复合效率低下的问题，从而提高LED的发光效率，并降低了正向电压。
本发明的LED外延生长方法中，跟传统方式相比，达到了如下效果：
1、本发明通过在量子阱中依次插入低温AlN层、高温AlN-1层、中温InN-1层、高温AlN-2层、中温InN-2层、高温AlN-3层结构，使整个量子阱层形成了梯度的电容结构，可以达到限流作用，极大程度地减少了大电流密度下的发光衰减效应；并可以阻碍电荷径向移动，使电荷向四周扩散，即加强电流横向扩展能力，从而提高LED发光效率，并且正向驱动电压更低。
2、本发明的量子阱层通过在三层高温AlN层中插入两层中温InN层，可以促使AlN表面发生二次成核过程，形成的低缺陷三维小岛能够在之后的外延过程中发生有效的侧向生长过程，实现使位错弯曲的目的，成功的将量子阱层的位错密度由原来的3×1010cm-2降低至4×109cm-2，量子阱层的晶体质量得到大幅提升，同时量子阱层的表面能够达到原子级平整，为后续的外延生长打下了良好的基础。
3、本发明在生长量子阱InGaN阱层之前先生长AlN过渡层，能够在量子阱附近形成有效的势垒差，势垒差能够抑制量子阱内的空穴溢出量子阱，从而能够有效提升量子阱内的空穴浓度，进而提高了电子与空穴的复合几率，提升LED发光效率。在生长AlN过渡层的过程中，NH3采用脉冲方式交替通入反应腔，这种方法促成了AlN生长模式的渐变以促进位错的湮灭，同时使得AlN薄膜中晶粒的大小逐渐增加，在有效降低位错密度的同时减小了生长过程中的张应力，有利于提高后续量子阱的生长质量。
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 (8)
1.一种LED外延生长方法，其特征在于，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、生长多量子阱层、生长AlGaN电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却；所述生长多量子阱层依次包括：生长AlN过渡层、生长InGaN阱层、生长低温AlN层、生长高温AlN-1层、生长中温InN-1层、生长高温AlN-2层、生长中温InN-2层、生长高温AlN-3层和生长GaN垒层，具体为：
A、将反应腔压力控制在100-120mbar，反应腔温度控制在900-950℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2,生长厚度为3nm-5nm的AlN过渡层，在AlN过渡层生长过程中，TMAl源保持常开，而NH3采用脉冲方式交替通入反应腔，NH3中断和通入反应腔的时间分别是10s和5s；
B、将反应腔压力提高至200-280mbar，反应腔温度不变，通入流量为10000-15000sccm的NH3、200-300sccm的TMGa以及1300-1400sccm的TMIn，生长厚度为3nm的InGaN阱层；
C、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至500-580℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的低温AlN层；
D、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-1层；
E、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至750℃，通入300-380sccm的NH3、1000-2000sccm的TMIn以及100-120sccm的N2，生长厚度为5nm-7nm的中温InN-1层；
F、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-2层；
G、保持反应腔压力不变，降低反应腔温度至750℃，通入300-380sccm的NH3、1000-2000sccm的TMIn以及100-120sccm的N2，生长厚度为5nm-7nm的中温InN-2层；
H、保持反应腔压力不变，升高反应腔温度至1000-1050℃，通入160-180sccm的NH3、500-600sccm的TMAl以及60-80sccm的N2，生长厚度为3nm-5nm的高温AlN-3层；
I、降低温度至800℃，保持反应腔压力300mbar-400mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、20sccm-60sccm的TMGa及100L/min-130L/min的N2，生长10nm的GaN层；
重复上述步骤A-I，周期性依次生长AlN过渡层、InGaN阱层、低温AlN层、高温AlN-1层、中温InN-1层、高温AlN-2层、中温InN-2层、高温AlN-3层和GaN垒层，生长周期数为2-6个。
2.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，在1000℃-1100℃的温度下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100mbar-300mbar，处理蓝宝石衬底5min-10min。
3.根据权利要求2所述的LED外延生长方法，其特征在于，所述生长低温缓冲层GaN的具体过程为：
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及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；
升高温度到1000℃-1100℃，保持反应腔压力300mbar-600mbar，通入流量为30000sccm-40000sccm的NH3、100L/min-130L/min的H2，保温300s-500s，将低温缓冲层GaN腐蚀成不规则岛形。
4.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，所述生长不掺杂GaN层的具体过程为：
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及100L/min-130L/min的H2，持续生长2μm-4μm的不掺杂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，所述生长掺杂Si的N型GaN层的具体过程为：
保持反应腔压力300mbar-600mbar，保持温度1000℃-1200℃，通入流量为30000sccm-60000sccm的NH3、200sccm-400sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2及20sccm-50sccm的SiH4，持续生长3μm-4μm掺杂Si的N型GaN，其中，Si掺杂浓度5E18atoms/cm3-1E19atoms/cm3。
6.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，所述生长AlGaN电子阻挡层的具体过程为：
在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl、1000-1300sccm的Cp2Mg的条件下，生长所述AlGaN电子阻挡层，所述AlGaN层的厚度为40-60nm，其中，Mg掺杂的浓度为1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
7.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，所述生长掺Mg的P型GaN层的具体过程为：
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及1000sccm-3000sccm的Cp2Mg，持续生长50nm-200nm的掺Mg的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E19atoms/cm3-1E20atoms/cm3。
8.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于，所述降温冷却的具体过程为：
降温至650℃-680℃，保温20min-30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113421951A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-21 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 发光二极管芯片制作方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120235116A1 (en) * | 2009-07-31 | 2012-09-20 | Jie Su | Light emitting diode with enhanced quantum efficiency and method of fabrication |
| CN103887378A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-25 | 西安神光皓瑞光电科技有限公司 | 一种高光效紫外led的外延生长方法 |
| CN103928578A (zh) * | 2014-04-22 | 2014-07-16 | 湘能华磊光电股份有限公司 | Led外延层及其生长方法和led芯片 |
| CN105679899A (zh) * | 2016-03-02 | 2016-06-15 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN106025025A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-10-12 | 南通同方半导体有限公司 | 一种提高深紫外led发光性能的外延生长方法 |
| CN107919416A (zh) * | 2016-08-25 | 2018-04-17 | 映瑞光电科技(上海)有限公司 | 一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法 |
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2020
- 2020-02-17 CN CN202010095976.7A patent/CN111276579B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120235116A1 (en) * | 2009-07-31 | 2012-09-20 | Jie Su | Light emitting diode with enhanced quantum efficiency and method of fabrication |
| CN103887378A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-25 | 西安神光皓瑞光电科技有限公司 | 一种高光效紫外led的外延生长方法 |
| CN103928578A (zh) * | 2014-04-22 | 2014-07-16 | 湘能华磊光电股份有限公司 | Led外延层及其生长方法和led芯片 |
| CN105679899A (zh) * | 2016-03-02 | 2016-06-15 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN106025025A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-10-12 | 南通同方半导体有限公司 | 一种提高深紫外led发光性能的外延生长方法 |
| CN107919416A (zh) * | 2016-08-25 | 2018-04-17 | 映瑞光电科技(上海)有限公司 | 一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113421951A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-21 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 发光二极管芯片制作方法 |
| CN113421951B (zh) * | 2021-06-23 | 2024-05-07 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 发光二极管芯片制作方法 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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