本發(fā)明涉及LED領(lǐng)域，具體涉及一種可提高光效的LED外延片及其生長方法。

背景技術(shù)：

目前，市場對LED產(chǎn)品的要求越來越高，具體為：要求LED芯片驅(qū)動電壓低，特別是大電流下驅(qū)動電壓越低越好、光效越高越好；LED市場價值的體現(xiàn)為(光效)/(單價)，光效越好，對應(yīng)價格也越高，故高光效一直是LED廠家、高校和科研院所追求的目標(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。

以下提供一種傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)，詳見圖1，其生長方法具體是：

第一步、將藍(lán)寶石襯底1在氫氣氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050-1150℃；

第二步、將溫度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生長厚度為20-40nm的低溫GaN成核層2，生長壓力為400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為500-3000；

第三步、低溫GaN成核層2生長結(jié)束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，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3，生長壓力為400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為500-3000；

第四步、高溫GaN緩沖層3生長結(jié)束后，通入NH₃和TMGa,生長厚度為1-3um的非摻雜的U型GaN層4，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-3000；

第五步、非摻雜的U型GaN層4生長結(jié)束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長厚度為2-4um的N型GaN層5，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-3000，Si摻雜濃度為8E18-2E19atom/cm³；

第六步、N型GaN層5生長完成后，生長多周期量子阱發(fā)光層6，所用MO源為TMIn、TEGa，N型摻雜劑為硅烷；多周期量子阱發(fā)光層6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層的厚度為2-5nm，y＝0.1-0.3，生長溫度為700-800℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-5000；其中GaN壘層的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-5000，Si組分摩爾配比為0.5％-3％；

第七步、多周期量子阱發(fā)光層6生長結(jié)束后，生長厚度為50-200nm的P型AlGaN層7，所用MO源為TMAl、TMGa及Cp₂Mg；生長溫度為900-1100℃，生長時間為3-10min，壓力在20-200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為1000-20000，Al的摩爾組分為10％-30％，Mg的摩爾組分為0.05％-0.3％；

第八步、P型AlGaN層7生長結(jié)束后，生長高溫P型GaN層8，所用MO源為TMGa和Cp₂Mg；生長厚度為50-800nm，生長溫度為850-1000℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-5000，Mg摻雜濃度為1E18-1E20atom/cm³；

第九步、高溫P型GaN層8生長結(jié)束后，生長厚度為5-20nm的P型GaN接觸層9，所用MO源為TMGa和Cp₂Mg；生長溫度為850-1050℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為1000-5000；

第十步、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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種發(fā)光功率大、驅(qū)動電壓低的可提高光效的LED外延片生長方法，具體方案如下：

一種可提高光效的LED外延片生長方法，依次包括藍(lán)寶石襯底退火處理、生長低溫GaN成核層、生長高溫GaN緩沖層、生長非摻雜的U型GaN層、生長N型GaN層、生長多周期量子阱發(fā)光層、生長P型AlGaN層、生長GaN:Mg層組、生長P型GaN接觸層以及降溫退火處理；

所述GaN:Mg層組的厚度為50-800nm，其包括周期性生長的1-80個GaN:Mg單層；所述GaN:Mg單層包括第一GaN:Mg層和第二GaN:Mg層，所述GaN:Mg單層的生長過程具體是：控制溫度為750℃-850℃，通入TMGa和Cp₂Mg，生長厚度為5-50nm的第一GaN:Mg層；升溫至850℃-1000℃，生長厚度為5-50nm的第二GaN:Mg層。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，藍(lán)寶石襯底退火處理具體為：將藍(lán)寶石襯底在氫氣氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050-1150℃；

生長低溫GaN成核層具體為：將溫度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生長厚度為20-40nm的低溫GaN成核層，生長壓力為400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為500-3000。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，生長高溫GaN緩沖層具體為：低溫GaN成核層生長結(jié)束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，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的高溫GaN緩沖層，生長壓力為400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為500-3000。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，生長非摻雜的U型GaN層具體為：高溫GaN緩沖層生長結(jié)束后，通入NH₃和TMGa生長厚度為1-3um的非摻雜的U型GaN層，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-3000。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，生長N型GaN層具體為：非摻雜的U型GaN層生長結(jié)束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長厚度為2-4um的N型GaN層，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-3000，Si摻雜濃度為8E18-2E19atom/cm³。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，生長多周期量子阱發(fā)光層具體為：N型GaN層生長完成后生長多周期量子阱發(fā)光層，所用MO源為TMIn、TEGa，N型摻雜劑為硅烷；多周期量子阱發(fā)光層由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層的厚度為2-5nm，y＝0.1-0.3，生長溫度為700-800℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-5000；其中GaN壘層的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-5000，Si組分摩爾配比為0.5％-3％。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，生長P型AlGaN層具體為：多周期量子阱發(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及Cp₂Mg；生長溫度為900-1100℃，生長時間為3-10min，壓力在20-200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為1000-20000，Al的摩爾組分為10％-30％，Mg的摩爾組分為0.05％-0.3％。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，生長P型GaN接觸層具體為：GaN:Mg層組生長結(jié)束后，生長厚度為5-20nm的P型GaN接觸層，所用MO源為TMGa和Cp₂Mg；生長溫度為850-1050℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為1000-5000；

降溫退火處理具體為：外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650-800℃，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-10min，然后降至室溫，結(jié)束生長。

本發(fā)明還提供一種采用上述方法制得的可提高光效的LED外延片，包括從下往上依次層疊的藍(lán)寶石襯底、低溫GaN成核層、高溫GaN緩沖層、非摻雜的U型GaN層、N型GaN層、多周期量子阱發(fā)光層、P型AlGaN層、GaN:Mg層組以及P型GaN接觸層；

所述GaN:Mg層組的厚度為50-800nm，其包括1-80個GaN:Mg單層；所述GaN:Mg單層包括第一GaN:Mg層和第二GaN:Mg層。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述低溫GaN成核層的厚度為20-40nm；

所述高溫GaN緩沖層的厚度為0.2-1um；

所述非摻雜的U型GaN層的厚度為1-3um；

所述N型GaN層的厚度為2-4um；

所述多周期量子阱發(fā)光層為由5-15個周期的In_yGa_1-yN/GaN阱壘組成的結(jié)構(gòu)，單個In_yGa_1-yN/GaN阱壘包括厚度為2-5nm的In_yGa_1-yN層和厚度為8-15nm的GaN壘層，其中y＝0.1-0.3；

所述P型AlGaN層的厚度為50-200nm；

所述P型GaN接觸層的厚度為5-20nm。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有如下有益效果：

1、整個工藝流程精簡，工藝參數(shù)容易控制，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

2、本發(fā)明將傳統(tǒng)的P型GaN層設(shè)計為GaN:Mg層組，GaN:Mg層組包括高低溫生長的交替層結(jié)構(gòu)(具體是：GaN:Mg層組包括1-80個GaN:Mg單層，所述GaN:Mg單層包括低溫條件下生長的第一GaN:Mg層和高溫條件下生長的第二GaN:Mg層)，通過低溫生長，提高Mg濃度，提供較多空穴，又通過高溫生長，提高材料結(jié)晶質(zhì)量，提高空穴遷移率，通過交替周期生長，最終提高量子阱區(qū)域的空穴注入水平，增加了空穴與電子的復(fù)合效率，降低了LED芯片的工作電壓，提高了LED芯片的發(fā)光效率。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照附圖，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1中可提高光效的LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為樣品1和樣品2的亮度對比圖；

圖4為樣品1和樣品2的電壓對比圖；

圖中：1、藍(lán)寶石襯底，2、低溫GaN成核層，3、高溫GaN緩沖層，4、非摻雜的U型GaN層，5、N型GaN層，6、多周期量子阱發(fā)光層，7、P型AlGaN層，8、高溫P型GaN層，8’、GaN:Mg層組，8.1’、GaN:Mg單層，9、P型GaN接觸層。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。

實施例1：

請參閱圖2，本技術(shù)方案運用維易科(VEECO)MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片。采用高純H₂、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，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)，金屬有機源三乙基鎵(TEGa)，三甲基銦(TMIn)作為銦源，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，N型摻雜劑為硅烷(SiH₄)，P型摻雜劑為二茂鎂(Cp₂Mg)，襯底為藍(lán)寶石襯底，反應(yīng)壓力在100Torr到1000Torr之間。

可提高光效的LED外延片包括從下往上依次層疊的藍(lán)寶石襯底1、低溫GaN成核層2、高溫GaN緩沖層3、非摻雜的U型GaN層4、N型GaN層5、多周期量子阱發(fā)光層6、P型AlGaN層7、GaN:Mg層組8’以及P型GaN接觸層9，所述GaN:Mg層組8’的厚度為50-800nm，其包括1-80個GaN:Mg單層8.1’；所述GaN:Mg單層8.1’包括第一GaN:Mg層和第二GaN:Mg層。

所述低溫GaN成核層2的厚度為20-40nm；所述高溫GaN緩沖層3的厚度為0.2-1um；所述非摻雜的U型GaN層4的厚度為1-3um；所述N型GaN層5的厚度為2-4um；所述多周期量子阱發(fā)光層6為由5-15個周期的In_yGa_1-yN/GaN阱壘組成的結(jié)構(gòu)，單個In_yGa_1-yN/GaN阱壘包括厚度為2-5nm的In_yGa_1-yN層和厚度為8-15nm的GaN壘層，其中y＝0.1-0.3；所述P型AlGaN層7的厚度為50-200nm；所述P型GaN接觸層9的厚度為5-20nm。

其生長方法具體包括以下步驟：

步驟一、藍(lán)寶石襯底1退火處理，具體為：將藍(lán)寶石襯底1在氫氣氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050-1150℃；

步驟二、生長低溫GaN成核層2，具體為：將溫度下降到500-620℃，通入NH₃和TMGa，生長厚度為20-40nm的低溫GaN成核層2，生長壓力為400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為500-3000；

步驟三、生長高溫GaN緩沖層3，具體為：低溫GaN成核層2生長結(jié)束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，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的高溫GaN緩沖層3，生長壓力為400-650Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為500-3000；

步驟四、生長非摻雜的U型GaN層4，具體為：高溫GaN緩沖層3生長結(jié)束后，通入NH₃和TMGa生長厚度為1-3um的非摻雜的U型GaN層4，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-3000。

步驟五、生長N型GaN層5，具體為：非摻雜的U型GaN層4生長結(jié)束后，通入NH₃、TMGa和SiH₄，生長厚度為2-4um的N型GaN層5，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-3000，Si摻雜濃度為8E18-2E19atom/cm³；

步驟六、生長多周期量子阱發(fā)光層6，具體為：N型GaN層5生長完成后生長多周期量子阱發(fā)光層6，所用MO源為TMIn、TEGa，N型摻雜劑為硅烷；多周期量子阱發(fā)光層6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層的厚度為2-5nm，y＝0.1-0.3，生長溫度為700-800℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-5000；其中GaN壘層的厚度為8-15nm，生長溫度為800-950℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為300-5000，Si組分摩爾配比為0.5％-3％。

步驟七、生長P型AlGaN層7，具體為：多周期量子阱發(fā)光層6生長結(jié)束后，生長厚度為50-200nm的P型AlGaN層7，所用MO源為TMAl、TMGa及Cp₂Mg；生長溫度為900-1100℃，生長時間為3-10min，壓力在20-200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為1000-20000，Al的摩爾組分為10％-30％，Mg的摩爾組分為0.05％-0.3％。

步驟八、生長GaN:Mg層組8’，具體是：生長1-80個周期的GaN:Mg單層8.1’；所述GaN:Mg單層8.1’的生長過程具體是：控制溫度為750℃-850℃，通入TMGa和Cp₂Mg，生長厚度為5-50nm的第一GaN:Mg層；升溫至850℃-1000℃，生長厚度為5-50nm的第二GaN:Mg層；

步驟九、生長P型GaN接觸層9具體為：GaN:Mg層組8’生長結(jié)束后，生長厚度為5-20nm的P型GaN接觸層9，所用MO源為TMGa和Cp₂Mg；生長溫度為850-1050℃，生長壓力為100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩爾比為1000-5000；

步驟十、降溫退火處理，具體為：外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650-800℃，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-10min，然后降至室溫，結(jié)束生長。

本發(fā)明的核心在于步驟八，將傳統(tǒng)的P型GaN層設(shè)計為GaN:Mg層組8’(即采用低溫生長第一GaN:Mg層和高溫生長第二GaN:Mg層的結(jié)合，形成高低溫生長的交替層結(jié)構(gòu))，通過低溫生長，提高Mg濃度，提供較多空穴，又通過高溫生長，提高材料結(jié)晶質(zhì)量，提高空穴遷移率，通過交替周期生長，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。

將采用現(xiàn)有技術(shù)(背景技術(shù)內(nèi)所描述的方法)制得的產(chǎn)品標(biāo)注為樣品1，將本實施例制得的產(chǎn)品標(biāo)注為樣品2，兩組方法的不同僅在于表格1中所列參數(shù)，詳見表1：

表1樣品1和樣品2生長過程中的參數(shù)對照表

將樣品1和樣品2在相同的工藝條件下鍍ITO層150nm，相同的條件下鍍Cr/Pt/Au電極70nm，相同的條件下鍍二氧化硅保護層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，隨后在相同的位置挑選樣品1和樣品2各150顆晶粒，在相同的封裝工藝下，封裝成白光LED，最后采用積分球在驅(qū)動電流350mA條件下測試樣品1和樣品2的光電性能，詳情如圖3和圖4。

從圖3數(shù)據(jù)可見，樣品2與樣品1相比，亮度從500mw左右增加至520mw以上；從圖4數(shù)據(jù)可見，樣品2與樣品1相比，驅(qū)動電壓從3.32V降低至3.17v左右，由此可見，本技術(shù)方案提供的生長方法提高了大尺寸芯片的亮度，且同時降低了驅(qū)動電壓。

實施例2-實施例4

實施例2-實施例4與實施例1不同之處僅在于：GaN:Mg層組8’包含的GaN:Mg單層8.1’的數(shù)量不同，具體是：實施例2中GaN:Mg層組8’包含1個GaN:Mg單層8.1’；實施例3中GaN:Mg層組8’包含40個GaN:Mg單層8.1’；實施例4中GaN:Mg層組8’包含80個GaN:Mg單層8.1’。

實施例2-實施例4所得產(chǎn)品依次標(biāo)記為樣品3-5，詳情如下：

樣品3與樣品1比較：亮度從500mw左右增加至505mw以上，驅(qū)動電壓從3.32V降低至3.22v左右；

樣品4與樣品1比較：亮度從500mw左右增加至522mw以上，驅(qū)動電壓從3.32V降低至3.10v左右；

樣品5與樣品1比較：亮度從500mw左右增加至521mw以上，驅(qū)動電壓從3.32V降低至3.12v左右。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利保護范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。