本申請涉及LED外延設(shè)計應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種提高光效的LED外延生長方法。

背景技術(shù)：

目前LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)是一種固體照明，體積小、耗電量低使用壽命長高亮度、環(huán)保、堅固耐用等優(yōu)點受到廣大消費者認(rèn)可，國內(nèi)生產(chǎn)LED的規(guī)模也在逐步擴(kuò)大；市場上對LED亮度和光效的需求與日俱增，客戶關(guān)注的是LED更省電，亮度更高、光效更好，這就為LED外延生長提出了更高的要求；如何生長更好的外延片日益受到重視，因為外延層晶體質(zhì)量的提高，LED器件的性能可以得到提升，LED的發(fā)光效率、壽命、抗老化能力、抗靜電能力、穩(wěn)定性會隨著外延層晶體質(zhì)量的提升而提升。

LED市場上現(xiàn)在要求LED芯片驅(qū)動電壓低，特別是大電流下驅(qū)動電壓越小越好、光效越高越好；LED市場價值的體現(xiàn)為(光效)/單價，光效越好，價格越高，所以LED高光效一直是LED廠家和院校LED研究所所追求的目標(biāo)。高光效意味著光功率高、驅(qū)動電壓低，但光功率一定程度上受到P層空穴濃度的限制，驅(qū)動電壓一定程度上受到P層空穴遷移率的限制，注入的空穴濃度增加，發(fā)光層空穴和電子的復(fù)合效率增加，高光功率增加，P層空穴遷移率增加驅(qū)動電壓才能降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本申請所要解決的技術(shù)問題是提供了一種提高光效的LED外延生長方法，把傳統(tǒng)的P型GaN層，設(shè)計為Mg濃度高低摻雜生長的超晶格結(jié)構(gòu)，目的是通過先提高M(jìn)g濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結(jié)晶質(zhì)量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區(qū)域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，提高LED的發(fā)光效率。

為了解決上述技術(shù)問題，本申請有如下技術(shù)方案：

一種提高光效的LED外延生長方法，其特征在于，依次包括：處理襯底、生長低溫GaN成核層、生長高溫緩沖層GaN、生長非摻雜u-GaN層、生長摻雜Si的n-GaN層、生長發(fā)光層、生長p型AlGaN層、生長高溫p型GaN層、生長p型GaN接觸層、降溫冷卻，

所述生長高溫p型GaN層，具體為：

將TMGa和CP₂Mg作為MO源，保持反應(yīng)腔壓力為100Torr-500Torr，生長溫度為850℃-1000℃，

先通入流量為0sccm-200sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第一GaN:Mg層；

再通入流量為200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第二GaN:Mg層；

反復(fù)生長所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層，生長周期為2-50，所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層的總厚度為40nm-200nm，其中，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

優(yōu)選地，其中：

所述生長低溫GaN成核層，具體為：將溫度下降到500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反應(yīng)腔壓力400Torr-650Torr，生長厚度為20nm-40nm的低溫GaN成核層。

優(yōu)選地，其中：

所述生長高溫緩沖層GaN，具體為：

低溫GaN成核層生長結(jié)束后，停止通入TMGa，進(jìn)行原位退火處理，退火溫度升高至1000℃-1100℃，退火時間為5min-10min；

退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至900℃-1050℃，保持反應(yīng)腔壓力400Torr-650Torr，繼續(xù)通入TMGa，外延生長厚度為0.2μm-1μm的高溫緩沖層GaN。

優(yōu)選地，其中：

所述生長非摻雜u-GaN層，具體為：

高溫緩沖層GaN生長結(jié)束后，通入NH₃和TMGa，保持溫度為1050℃-1200℃，保持反應(yīng)腔壓力100Torr-500Torr，生長厚度為1μm-3μm的非摻雜u-GaN層。

優(yōu)選地，其中：

所述生長摻雜Si的N型GaN層，具體為：

高溫非摻雜u-GaN層生長結(jié)束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的n-GaN層，厚度為2μm-4μm，生長溫度為1050℃-1200℃，生長壓力為100Torr-600Torr，Si摻雜濃度為8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

優(yōu)選地，其中：

所述生長發(fā)光層，具體為：

摻雜Si的n-GaN層生長結(jié)束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作為MO源，生長5-15個周期的In_yGa_1-y/GaN阱壘結(jié)構(gòu)，其中，

量子阱In_yGa_1-y(y＝0.1-0.3)層的厚度為2nm-5nm，生長溫度為700℃-800℃，生長壓力為100Torr-500Torr，

壘層GaN的厚度為8nm-15nm，生長溫度為800℃-950℃，生長壓力為100Torr-500Torr，壘層中Si的摻雜濃度為8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³。

優(yōu)選地，其中：

所述生長p型AlGaN層，具體為：

保持反應(yīng)腔壓力20Torr-200Torr、生長溫度900℃-1100℃，生長時間為3min-10min，通入TMAl、TMGa和Cp₂Mg作為MO源，持續(xù)生長厚度為50nm-200nm的p型AlGaN層，其中，Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

優(yōu)選地，其中：

所述生長p型GaN接觸層，具體為：

保持反應(yīng)腔壓力100Torr-500Torr、生長溫度850℃-1050℃，通入TEGa和Cp₂Mg作為MO源，持續(xù)生長5nm-20nm的p型GaN接觸層，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³。

優(yōu)選地，其中：

所述降溫冷卻，具體為：

將反應(yīng)室的溫度降至650℃-800℃，采用純N₂氛圍進(jìn)行退火處理5min-10min，然后降至室溫，結(jié)束生長。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請所述的方法，達(dá)到了如下效果：

本發(fā)明提高光效的LED外延生長方法，與傳統(tǒng)方法相比，把傳統(tǒng)的P型GaN層，設(shè)計為Mg濃度高低生長的超晶格結(jié)構(gòu)，目的是通過先提高M(jìn)g濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結(jié)晶質(zhì)量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區(qū)域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，進(jìn)而提高LED的發(fā)光效率。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明提高光效的LED外延生長方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中LED外延層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為對比實施例中LED外延層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為30mil*30mil芯片亮度分布圖；

圖5為30mil*30mil芯片電壓分布圖；

其中，1、基板，2、緩沖層GaN，3、U型GaN層，4、n型GaN層，5、量子阱發(fā)光層，6、p型AlGaN層，7、Mg濃度高低生長的高溫P型GaN層，7.1、高M(jìn)g濃度GaN層，7.2、低Mg濃度GaN層，8、Mg:GaN接觸層，9、普通高溫P型GaN層。

具體實施方式

如在說明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，硬件制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權(quán)利要求并不以名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。如在通篇說明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”為一開放式用語，故應(yīng)解釋成“包含但不限定于”?！按笾隆笔侵冈诳山邮盏恼`差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性耦接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性耦接于所述第二裝置，或通過其他裝置或耦接手段間接地電性耦接至所述第二裝置。說明書后續(xù)描述為實施本申請的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本申請的一般原則為目的，并非用以限定本申請的范圍。本申請的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。

實施例1

本發(fā)明運用VEECO MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片。采用高純H₂或高純N₂或高純H₂和高純N₂(純度99.999％)的混合氣體作為載氣，高純NH₃(純度99.999％)作為N源，金屬有機(jī)源三甲基鎵(TMGa)和三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷(SiH₄)，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂(CP₂Mg)，襯底為(001)面藍(lán)寶石，反應(yīng)壓力在100Torr到1000Torr之間。具體生長方式如下：

一種提高光效的LED外延生長方法，參見圖1，依次包括：處理襯底、生長低溫GaN成核層、生長高溫緩沖層GaN、生長非摻雜u-GaN層、生長摻雜Si的n-GaN層、生長發(fā)光層、生長p型AlGaN層、生長高溫p型GaN層、生長p型GaN接觸層、降溫冷卻，

所述生長高溫p型GaN層，具體為：

將TMGa和CP₂Mg作為MO源，保持反應(yīng)腔壓力為100Torr-500Torr，生長溫度為850℃-1000℃，

先通入流量為0sccm-200sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第一GaN:Mg層；

再通入流量為200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第二GaN:Mg層；

反復(fù)生長所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層，生長周期為2-50，所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層的總厚度為40nm-200nm，其中，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

本發(fā)明提高光效的LED外延生長方法，與傳統(tǒng)方法相比，把傳統(tǒng)的P型GaN層，設(shè)計為Mg濃度高低生長的超晶格結(jié)構(gòu)，先通入高流量(流量為0sccm-200sccm)的CP₂Mg生長第一GaN:Mg層，再通入低流量(流量為200sccm-1000sccm)的CP₂Mg生長第二GaN:Mg層，第一GaN:Mg層的濃度高，第二GaN:Mg層的濃度低，目的是通過先提高M(jìn)g濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結(jié)晶質(zhì)量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區(qū)域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，進(jìn)而提高LED的發(fā)光效率。

實施例2

以下提供本發(fā)明的提高光效的LED外延生長方法的應(yīng)用實施例，其外延結(jié)構(gòu)參見圖2，生長方法參見圖1。采用高純H₂或高純N₂或高純H₂和高純N₂(純度99.999％)的混合氣體作為載氣，高純NH₃(純度99.999％)作為N源，金屬有機(jī)源三甲基鎵(TMGa)和三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷(SiH₄)，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂(CP₂Mg)，襯底為(001)面藍(lán)寶石，反應(yīng)壓力在100Torr到1000Torr之間。具體生長方式如下：

步驟101、處理襯底：

將藍(lán)寶石襯底在氫氣氣氛里進(jìn)行退火，清潔襯底表面，溫度為1050℃-1150℃。

步驟102、生長低溫GaN成核層：

將溫度下降到500℃-620℃，通入NH₃和TMGa，保持反應(yīng)腔壓力400Torr-650Torr，生長厚度為20nm-40nm的低溫GaN成核層。

步驟103、生長高溫緩沖層GaN：

低溫GaN成核層生長結(jié)束后，停止通入TMGa，進(jìn)行原位退火處理，退火溫度升高至1000℃-1100℃，退火時間為5min-10min；

退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至900℃-1050℃，保持反應(yīng)腔壓力400Torr-650Torr，繼續(xù)通入TMGa、外延生長厚度為0.2μm-1μm的高溫緩沖層GaN。

步驟104、生長非摻雜u-GaN層：

高溫緩沖層GaN生長結(jié)束后，通入NH₃和TMGa，保持溫度為1050℃-1200℃，保持反應(yīng)腔壓力100Torr-500Torr，生長厚度為1μm-3μm的非摻雜u-GaN層。

步驟105、生長摻雜Si的n-GaN層：

高溫非摻雜u-GaN層生長結(jié)束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的n-GaN層，厚度為2μm-4μm，生長溫度為1050℃-1200℃，生長壓力為100Torr-600Torr，Si摻雜濃度為8E18atoms/cm³-2E19atoms/cm³。

步驟106、生長量子阱MQW發(fā)光層：

摻雜Si的n-GaN層生長結(jié)束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作為MO源，生長5-15個周期的In_yGa_1-y/GaN阱壘結(jié)構(gòu)，其中，

量子阱In_yGa_1-y(y＝0.1-0.3)層的厚度為2nm-5nm，生長溫度為700℃-800℃，生長壓力為100Torr-500Torr，

壘層GaN的厚度為8nm-15nm，生長溫度為800℃-950℃，生長壓力為100Torr-500Torr，壘層中Si的摻雜濃度為8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³。

步驟107、生長p型AlGaN層：

保持反應(yīng)腔壓力20Torr-200Torr、生長溫度900℃-1100℃，生長時間為3min-10min，通入TMAl、TMGa和Cp₂Mg作為MO源，持續(xù)生長厚度為50nm-200nm的p型AlGaN層，其中，Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

步驟108、生長高溫p型GaN層：

P型AlGaN層生長結(jié)束后，將TMGa和CP₂Mg作為MO源，保持反應(yīng)腔壓力為100Torr-500Torr，生長溫度為850℃-1000℃，

先通入流量為0sccm-200sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第一GaN:Mg層；

再通入流量為200sccm-1000sccm的CP₂Mg，生長厚度為2nm-10nm的第二GaN:Mg層；

反復(fù)生長所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層，生長周期為2-50，所述第一GaN:Mg層和所述第二GaN:Mg層的總厚度為40nm-200nm，其中，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²⁰cm^-3。

步驟109、生長p型GaN接觸層：

P型GaN層生長結(jié)束后，保持反應(yīng)腔壓力100Torr-500Torr、生長溫度850℃-1050℃，通入TEGa和Cp₂Mg作為MO源，持續(xù)生長5nm-20nm的p型GaN接觸層，即Mg:GaN，Mg摻雜濃度1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³。

步驟110、降溫冷卻：

外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650℃-800℃，采用純N₂氛圍進(jìn)行退火處理5min-10min，然后降至室溫，結(jié)束生長。

外延結(jié)構(gòu)經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續(xù)半導(dǎo)體加工工藝制成單顆小尺寸芯片。

本申請的上述步驟108中，將傳統(tǒng)的p型GaN層設(shè)計為Mg濃度高低生長的超晶格結(jié)構(gòu)，目的是通過先提高M(jìn)g濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結(jié)晶質(zhì)量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區(qū)域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，提高LED的發(fā)光效率。

實施例3

以下提供一種常規(guī)的LED外延生長方法作為本發(fā)明的對比實施例。

常規(guī)LED外延的生長方法為(外延層結(jié)構(gòu)參見圖3)：

1、將藍(lán)寶石襯底在氫氣氣氛里進(jìn)行退火，清潔襯底表面，溫度為1050-1150℃。

2、將溫度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生長20-40nm厚的低溫GaN成核層，生長壓力為400-650Torr。

3、低溫GaN成核層生長結(jié)束后，停止通入TMGa，進(jìn)行原位退火處理，退火溫度升高至1000-1100℃，退火時間為5-10min；退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至900-1050℃，繼續(xù)通入TMGa，外延生長厚度為0.2-1um間的高溫GaN緩沖層，生長壓力為400-650Torr。

4、高溫GaN緩沖層生長結(jié)束后，通入NH₃和TMGa，生長厚度為1-3um非摻雜的u-GaN層，生長過程溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-500Torr。

5、高溫非摻雜GaN層生長結(jié)束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的n-GaN層，厚度為2-4um，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-600Torr，Si摻雜濃度為8*10¹⁸-2*10¹⁹cm^-3。

6、n-GaN生長結(jié)束后,生長多周期量子阱MQW發(fā)光層，所用MO源為TEGa、TMIn及SiH₄。發(fā)光層多量子阱由5-15個周期的In_yGa_1-yN/GaN阱壘結(jié)構(gòu)組成，其中量子阱In_yGa_1-yN(y＝0.1-0.3)層的厚度為2-5nm，生長溫度為700-800℃，生長壓力為100-500Torr；其中壘層GaN的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950℃，生長壓力為100-500Torr，壘層GaN進(jìn)行低濃度Si摻雜，Si摻雜濃度為8*10¹⁶-6*10¹⁷cm^-3。

7、多周期量子阱MQW發(fā)光層生長結(jié)束后，生長厚度為50-200nm的p型AlGaN層，所用MO源為TMAl，TMGa和CP₂Mg。生長溫度為900-1100℃，生長時間為3-10min，壓力在20-200Torr，p型AlGaN層的Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度為10¹⁸-10²¹cm^-3。

8、p型AlGaN層生長結(jié)束后，生長高溫p型GaN層，所用MO源為TMGa和CP₂Mg。生長厚度為100-800nm，生長溫度為850-1000℃，生長壓力為100-500Torr，Mg摻雜濃度為10¹⁸-10²¹cm^-3。

9、P型GaN層生長結(jié)束后，生長厚度為5-20nm的p型GaN接觸層，即Mg:GaN，所用MO源為TEGa和CP₂Mg。生長溫度為850-1050℃，生長壓力為100-500Torr，Mg摻雜濃度為10¹⁹-10²²cm^-3。

10、外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650-800℃，采用純氮氣氛圍進(jìn)行退火處理5-10min，然后降至室溫，結(jié)束生長。外延結(jié)構(gòu)經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續(xù)半導(dǎo)體加工工藝制成單顆小尺寸芯片。

在同一機(jī)臺上，根據(jù)常規(guī)的LED的生長方法(對比實施例的方法)制備樣品1，根據(jù)本專利描述的方法制備樣品2；樣品1和樣品2外延生長方法參數(shù)不同點在于本發(fā)明把傳統(tǒng)的P型GaN層，設(shè)計為Mg濃度高低摻雜生長的超晶格結(jié)構(gòu)，其它外延層生長條件完全一樣，參見表1。

樣品1和樣品2在相同的前工藝條件下鍍ITO層約150nm，相同的條件下鍍Cr/Pt/Au電極約70nm，相同的條件下鍍保護(hù)層SiO₂約30nm，然后在相同的條件下將樣品研磨切割成762μm*762μm(30mil*30mil)的芯片顆粒，然后樣品1和樣品2在相同位置各自挑選150顆晶粒，在相同的封裝工藝下，封裝成白光LED。然后采用積分球在驅(qū)動電流350mA條件下測試樣品1和樣品2的光電性能。

表1為樣品1和樣品2生長參數(shù)對比表。樣品1為傳統(tǒng)生長方式，生長單層p型GaN層；樣品2為本專利生長方式，將傳統(tǒng)p型GaN層改為10個周期的Mg濃度高低摻雜的超晶格層。

表1生長參數(shù)對比

將積分球獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，請參考圖4和圖5，從圖4數(shù)據(jù)可看出，樣品2較樣品1亮度從500mw左右增加至515mw左右，從圖5數(shù)據(jù)可看出，樣品2較樣品1驅(qū)動電壓從3.325V降低至3.275V左右。實驗數(shù)據(jù)證明了本專利的方案提高了大尺寸芯片的亮度并降低了驅(qū)動電壓。

通過以上各實施例可知，本申請存在的有益效果是：

本發(fā)明提高光效的LED外延生長方法，與傳統(tǒng)方法相比，把傳統(tǒng)的P型GaN層，設(shè)計為Mg濃度高低生長的超晶格結(jié)構(gòu)，目的是通過先提高M(jìn)g濃度，提供較多空穴，又通過降低Mg濃度，提高材料結(jié)晶質(zhì)量，提高空穴遷移率，通過交替超晶格生長，從而提高量子阱區(qū)域的空穴注入水平，降低LED的工作電壓，進(jìn)而提高LED的發(fā)光效率。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本申請的實施例可提供為方法、裝置、或計算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機(jī)可用程序代碼的計算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

上述說明示出并描述了本申請的若干優(yōu)選實施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本申請并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進(jìn)行改動。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動和變化不脫離本申請的精神和范圍，則都應(yīng)在本申請所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。