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。

在InGaN/GaN基發(fā)光二極管(LED)材料結(jié)構(gòu)中，p-AlGaN層通常位于量子阱與p型GaN之間，其作用是作為電子阻擋層將電子限定在量子阱區(qū)域，以克服在大電流密度注入條件下，電子溢出量子阱導(dǎo)致發(fā)光效率下降等問題。通常情況下，p-AlGaN層的生長存在很多困難，如材料晶體質(zhì)量差、晶格失配及摻雜物激活率低等，而且p-AlGaN層摻入效率低下、空穴注入不足。

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LED外延生長方法，把傳統(tǒng)的LED外延電子阻擋層，設(shè)計為低壓高溫的i-AlGaN層和高壓低溫的p-InGaN層的交替層生長結(jié)構(gòu)，既起到電子阻擋效果，又有助于空穴注入水平的增加，從而提高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、生長高溫p型GaN層、生長p型GaN接觸層、降溫冷卻，

在所述生長發(fā)光層之后、生長高溫p型GaN層之前，還包括：生長i-AlGaN層和p-InGaN層的交替生長結(jié)構(gòu)，

所述生長i-AlGaN層和p-InGaN層的交替生長結(jié)構(gòu)，具體為：

在反應(yīng)腔中通入MO源，所述MO源為TMAl、TMGa、TMIn和CP₂Mg，

保持反應(yīng)腔壓力20Torr-200Torr、保持生長溫度900℃-1100℃，單層生長厚度為1nm-10nm的i-AlGaN層，其中，Al的摩爾組分為10％-30％；

保持反應(yīng)腔壓力200Torr-1000Torr、保持生長溫度750℃-900℃，單層生長厚度為1nm-10nm的p-InGaN層，其中，In的摩爾組分為2％-20％，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²¹cm^-3；

周期性生長所述i-AlGaN層和所述p-InGaN層，生長周期為2-50，

生長所述i-AlGaN層和生長所述p-InGaN層的順序可互換。

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：

所述生長高溫p型GaN層，具體為：

保持反應(yīng)腔壓力100Torr-500Torr、生長溫度850℃-1000℃，通入TMGa和Cp₂Mg作為MO源，持續(xù)生長厚度為100nm-800nm的p型AlGaN層，其中，Mg摻雜濃度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LED外延生長方法，與傳統(tǒng)方法相比，把傳統(tǒng)的LED外延電子阻擋層，設(shè)計為低壓高溫的i-AlGaN層和高壓低溫的p-InGaN層的交替層生長結(jié)構(gòu)，目的是先通過低壓高溫生長i-AlGaN層，提高Al的摻雜效率及提高該層的結(jié)晶質(zhì)量，以達(dá)到電子阻擋效果，又通過高壓低溫生長p-InGaN層，提高In的并入效率。通過AlGaN\InGaN異質(zhì)結(jié)層，形成極化效應(yīng)，可以有效地阻擋電子進(jìn)入非輻射復(fù)合區(qū)域，同時使得空穴更好地橫向擴展，既起到電子阻擋效果，又有助于空穴注入水平的增加，從而提高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、i-AlGaN/p-InGaN交替生長層，6.1、i-AlGaN層，6.2、p-InGaN層，7、高溫P型GaN層，8、Mg:GaN接觸層，9、電子阻擋層PAlGaN。

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(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)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、生長高溫p型GaN層、生長p型GaN接觸層、降溫冷卻，

在所述生長發(fā)光層之后、生長高溫p型GaN層之前，還包括：生長i-AlGaN層和p-InGaN層的交替生長結(jié)構(gòu)，

所述生長i-AlGaN層和p-InGaN層的交替生長結(jié)構(gòu)，具體為：

在反應(yīng)腔中通入MO源，所述MO源為TMAl、TMGa、TMIn和CP₂Mg，

保持反應(yīng)腔壓力20Torr-200Torr、保持生長溫度900℃-1100℃，單層生長厚度為1nm-10nm的i-AlGaN層，其中，Al的摩爾組分為10％-30％；

保持反應(yīng)腔壓力200Torr-1000Torr、保持生長溫度750℃-900℃，單層生長厚度為1nm-10nm的p-InGaN層，其中，In的摩爾組分為2％-20％，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²¹cm^-3；

周期性生長所述i-AlGaN層和所述p-InGaN層，生長周期為2-50，

生長所述i-AlGaN層和生長所述p-InGaN層的順序可互換。

本發(fā)明LED外延生長方法，與傳統(tǒng)方法相比，把傳統(tǒng)的LED外延電子阻擋層，設(shè)計為低壓高溫的i-AlGaN層和高壓低溫的p-InGaN層的交替層生長結(jié)構(gòu)，目的是先通過低壓高溫生長i-AlGaN層，提高Al的摻雜效率及提高該層的結(jié)晶質(zhì)量，以達(dá)到電子阻擋效果，又通過高壓低溫生長p-InGaN層，提高In的并入效率。通過AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)層，形成極化效應(yīng)，可以有效地阻擋電子進(jìn)入非輻射復(fù)合區(qū)域，同時使得空穴更好地橫向擴展，既起到電子阻擋效果，又有助于空穴注入水平的增加，從而提高LED的發(fā)光效率。

實施例2

以下提供本發(fā)明的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。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的混合氣體作為載氣，高純NH₃作為N源，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)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(0001)面藍(lán)寶石，反應(yīng)壓力在100tor到1000tor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型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i-AlGaN層和p-InGaN層的交替生長結(jié)構(gòu)：

在反應(yīng)腔中通入MO源，所述MO源為TMAl、TMGa、TMIn和CP₂Mg，

保持反應(yīng)腔壓力20Torr-200Torr、保持生長溫度900℃-1100℃，單層生長厚度為1nm-10nm的i-AlGaN層，其中，Al的摩爾組分為10％-30％；

保持反應(yīng)腔壓力200Torr-1000Torr、保持生長溫度750℃-900℃，單層生長厚度為1nm-10nm的p-InGaN層，其中，In的摩爾組分為2％-20％，Mg摻雜濃度為10¹⁸cm^-3-10²¹cm^-3；

周期性生長所述i-AlGaN層和所述p-InGaN層，生長周期為2-50，

生長所述i-AlGaN層和生長所述p-InGaN層的順序可互換。

步驟108、生長高溫p型GaN層：

保持反應(yīng)腔壓力100Torr-500Torr、生長溫度850℃-1000℃，通入TMGa和Cp₂Mg作為MO源，持續(xù)生長厚度為100nm-800nm的p型AlGaN層，其中，Mg摻雜濃度1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

步驟109、生長p型GaN接觸層：

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。

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。

實施例3

以下提供一種常規(guī)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AlGaN層，設(shè)計為低壓高溫的i-AlGaN層和高壓低溫的p-InGaN層的交替層生長結(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AlGaN層；樣品2為本專利生長方式，低壓高溫的i-AlGaN層和高壓低溫的p-InGaN層的交替生長結(jié)構(gòu)，循環(huán)數(shù)為10個。

表1生長參數(shù)的對比

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可看出，樣品2較樣品1亮度從500mw左右增加至520mw以上，從圖5數(shù)據(jù)可看出，樣品2較樣品1驅(qū)動電壓從3.32V降低至3.27V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LED外延生長方法，與傳統(tǒng)方法相比，把傳統(tǒng)的LED外延電子阻擋層，設(shè)計為低壓高溫的i-AlGaN層和高壓低溫的p-InGaN層的交替層生長結(jié)構(gòu)，目的是先通過低壓高溫生長i-AlGaN層，提高Al的摻雜效率及提高該層的結(jié)晶質(zhì)量，以達(dá)到電子阻擋效果，又通過高壓低溫生長p-InGaN層，提高In的并入效率。通過AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)層，形成極化效應(yīng)，可以有效地阻擋電子進(jìn)入非輻射復(fù)合區(qū)域，同時使得空穴更好地橫向擴展，既起到電子阻擋效果，又有助于空穴注入水平的增加，從而提高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可用程序代碼的計算機可用存儲介質(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)。