本申請涉及LED外延設計應用技術領域，特別地，涉及一種LED外延結構及其生長方法。

背景技術：

目前LED(LightEmittingDiode，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，如何生長更好的外延片日益受到重視，因為外延層晶體質量的提高，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量的提升而提升。

CN 201610560181.2公開了一種LED外延接觸層生長方法為：

(1)將藍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℃；

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

(3)低溫GaN成核層生長結束后，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5min-10min；退火之后，將溫度調節(jié)至900℃-1050℃，繼續(xù)通入TMGa,外延生長厚度為0.2um-1um間的高溫GaN緩沖層，生長壓力為400Torr-650Torr；

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

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

(6)高溫非摻雜GaN層生長結束后,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阱壘結構組成，其中量子阱In_yGa_1-yN(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；其中壘層GaN的厚度為8nm-15nm，生長溫度為800℃-950℃，生長壓力為100Torr-500Torr，壘層GaN進行低濃度Si摻雜，Si摻雜濃度為8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³；

(7)多周期量子阱MQW發(fā)光層生長結束后，生長厚度為50nm-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3min-10min，壓力在20Torr-200Torr，p型AlGaN層的Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

(8)p型AlGaN層生長結束后，生長高溫p型GaN層，所用MO源為TMGa和Cp2Mg。生長厚度為100nm-800nm，生長溫度為850℃-1000℃，生長壓力為100Torr-500Torr，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

(9)高溫p型GaN層生長結束后，控制生長溫度為850℃-1050℃，生長壓力為100Torr-500Torr，先生長厚度為1nm-20nm的摻雜Mg的p型GaN層，其中，Mg摻雜濃度為1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，形成Mg:GaN層；

在生長完Mg:GaN后，保持生長溫度和生長壓力不變，接著生長厚度為0.5nm-10nm的In_xGa_1-xn層，其中，In的組分為10％-50％；

在生長完In_xGa_1-xn層后，保持生長溫度和生長壓力不變，接著生長厚度為1nm-20nm的n型GaN層，其中，Si的摻雜濃度為1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³；

生長過程中通入的MO源或氣體為TEGa、TMIn、Cp2Mg和SiH₄；

(10)外延生長結束后，將反應室的溫度降至650℃-800℃，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-10min，然后降至室溫，結束生長。

該制備方法中主要是將傳統(tǒng)技術第(9)層中的Mg:GaN層改為使用Mg:GaN/In_xGa_1-xN/Si:GaN層。以該方法制備得到的LED外延結構所得的LED芯片的電壓相比傳統(tǒng)技術有一定的降低和芯片亮度有一定幅度的提高。但本領域在LED芯片電壓降低和芯片亮度提高方面還可以進行進一步的研發(fā)，以取得更好的效果。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是創(chuàng)新LED外延結構使得其相應的LED芯片的電壓進一步降低，同時芯片亮度不降低或有升高；或者是使得相應的LED芯片的電壓不升高時，芯片亮度明顯升高。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種LED外延結構及其生長方法，

一種LED外延結構生長方法，依次包括：

處理襯底、生長低溫GaN成核層、生長高溫GaN緩沖層、生長非摻雜的u-GaN層、生長摻雜Si的n-GaN層、生長多周期量子阱MQW發(fā)光層、生長P型AlGaN層、生長低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層、生長Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層、降溫冷卻，生長低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層具體為：

先進行低溫層P型GaN生長，生長厚度為10nm-100nm，生長溫度為700℃-800℃，通入TMGa和Cp2Mg作為MO源，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

再進行溫度漸變層非摻雜GaN生長，該過程不通入Cp2Mg，生長厚度為10nm-50nm，生長溫度為由低溫P型GaN溫度漸變?yōu)楦邷豍型GaN溫度；

最后進行高溫層P型GaN生長，生長厚度為10nm-100nm，生長溫度為900℃-1000℃，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³；

低溫P型GaN層、溫度漸變非摻雜GaN層、高溫P型GaN層的生長壓力均為100Torr-500Torr。

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，當采用單一的溫度生長p型GaN層時，或多或少會有一定的缺陷。如僅采用高溫生長p型GaN層，可能會對已生長完成的MQW造成破壞；當僅低溫生長p型GaN層，則可能晶體質量較差，雜質缺陷較多，影響發(fā)光效率。因此本發(fā)明采用低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式生長p型GaN層來替代原有的生長方法，能產(chǎn)生降低電壓和提高亮度的效果。

特別地，將藍寶石襯底在H₂氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050℃-1150℃；

降低溫度至500℃-620℃，保持反應腔壓力400Torr-650Torr，通入NH₃和TMGa，生長厚度為20nm-40nm的低溫GaN成核層；

在低溫GaN成核層生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，將退火溫度升高至1000℃-1100℃，退火時間為5min-10min；退火完成后，將溫度調節(jié)至900℃-1050℃，生長壓力控制為400Torr-650Torr，繼續(xù)通入TMGa，外延生長厚度為0.2μm-1μm的高溫GaN緩沖層。

在高溫GaN緩沖層生長結束后，升高溫度到1050℃-1200℃，保持反應腔壓力100Torr-500Torr，通入NH₃和TMGa，持續(xù)生長厚度為1μm-3μm的非摻雜u-GaN層；

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

在非摻雜的u-GaN層生長結束后，通入TEGa、TMIn和SiH₄作為MO源，發(fā)光層多量子阱由5-15個周期的In_yGa_1-yN/GaN阱壘結構組成，具體為：

保持反應腔壓力100Torr-500Torr、溫度700℃-800℃，生長摻雜In的厚度為2nm-5nm的In_yGa_1-yN量子阱層，y＝0.1-0.3；

接著升高溫度至800℃-950℃，保持反應腔壓力100Torr-500Torr，生長厚度為8nm-15nm的GaN壘層，其中，Si摻雜濃度為8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³，

重復In_yGa_1-yN量子阱層的生長，然后重復GaN壘層的生長，交替生長In_yGa_1-yN/GaN發(fā)光層，控制周期數(shù)為5-15個。

在多周期量子阱MQW發(fā)光層生長結束后，保持反應腔壓力20Torr-200Torr、溫度900℃-1100℃，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，生長時間為3min-10min，其中Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

進一步地，p型AlGaN層生長結束后，生長低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層。

進一步地，低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層生長結束后，生長Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層，

先生長P型InGaN層(Mg:InGaN)，所用MO源或氣體分別為TEGa、TMIn和Cp2Mg，In組分為3％-30％，Mg摻雜濃度為1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生長厚度為1nm-10nm；

再生長GaN層，所用MO源或氣體為TEGa，生長厚度為0.5nm-10nm；

最后生長n型InGaN層(Si:InGaN)，所用MO源或氣體分別為TEGa、TMIn和SiH₄，In組分為3％-30％，Si摻雜濃度為1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生長厚度為1nm-10nm；

Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層的生長壓力均為100Torr-500Torr，生長溫度均為700℃-1000℃。

進一步地，外延生長結束后，將反應室的溫度降低至650℃-800℃，采用純N₂氛圍進行退火處理5min-10min，然后將至室溫，結束生長。

一種LED外延結構，在厚度方向上依次包括襯底、低溫GaN成核層、高溫GaN緩沖層、非摻雜的u-GaN層、摻雜Si的n-GaN層、多周期量子阱MQW發(fā)光層、P型AlGaN層、依次生長的低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層以及依次生長的Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層。

進一步地，低溫GaN成核層的厚度為20nm-40nm、高溫GaN緩沖層的厚度為0.2um-1um、非摻雜的u-GaN層的厚度為1um-3um、摻雜Si的n-GaN層的厚度為2um-4um、多周期量子阱MQW發(fā)光層的厚度為50nm-300nm、P型AlGaN層50nm-200nm、高溫P型GaN層的厚度為100nm-800nm。

進一步地，低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層中，低溫P型GaN層的生長厚度為10nm-100nm；溫度漸變非摻雜GaN層的生長厚度為10nm-50nm；高溫P型GaN層的生長厚度為10nm-100nm。

進一步地，Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層中，P型InGaN層，即Mg:InGaN的生長厚度為1nm-10nm；GaN層的生長厚度為0.5nm-10nm；n型InGaN層，即Si:InGaN的生長厚度為1nm-10nm。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明把傳統(tǒng)的p型GaN層設計為先低溫生長P型GaN層，提供較多空穴進入量子阱區(qū)域和通過低溫更好地保護量子阱；再通過生長溫度漸變非摻雜GaN層，修補低溫生長的缺陷，并創(chuàng)造有利于高溫P型層的空穴遷移的條件；最后通過高溫生長P型GaN層，提高材料結晶質量，并繼續(xù)提供空穴，從而提高整個量子阱區(qū)域的空穴注入水平；同時本發(fā)明把最后的接觸層設計為Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN的結構，通過InGaN與GaN材料的晶格不匹配，從而來誘發(fā)壓極化場，使界面處積累大量空穴或電子，提高遂穿電流，來降低接觸電阻，且接觸層最后一層為Si:InGaN比Si:GaN更容易與LED外延結構上面的ITO薄膜形成歐姆接觸，從而更有利于降低電壓，提高光效。通過這兩個方向的設計有效降低LED芯片的工作電壓和提高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。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

圖1是現(xiàn)有技術的LED外延結構；

圖2是實施例1的LED外延結構；

圖3是本發(fā)明LED外延結構及其生長方法流程圖；

圖4是采用現(xiàn)有技術方法制得的30mil*30mil芯片的亮度分布圖；

圖5是采用本發(fā)明的方法制得的30mil*30mil芯片的亮度分布圖；

圖6是采用現(xiàn)有技術方法制得的30mil*30mil芯片的電壓分布圖；

圖7是采用本發(fā)明的方法制得的30mil*30mil芯片的電壓分布圖；

附圖標記說明：1、襯底，2、緩沖層GaN(包括低溫GaN成核層和高溫GaN緩沖層)，3、非摻雜的u-GaN層，4、摻雜Si的n-GaN層，5、多周期量子阱MQW發(fā)光層，6、p型AlGaN層，7、高溫P型GaN層，7’、低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層，8、Mg:GaN/In_xGa_1-xN/Si:GaN接觸層，8’、Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層。

具體實施方式

如在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領域技術人員應可理解，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)分的準則。

以下結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以根據(jù)權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

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或高純N₂(純度99.999％)的混合氣體作為載氣，高純NH3(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(0001)面藍寶石，反應壓力在100Torr到1000Torr之間。具體生長方式如下(外延結構請參考圖2)：

步驟1、處理襯底101；步驟2、生長低溫GaN成核層102；步驟3、生長高溫GaN緩沖層103；步驟4、生長非摻雜的u-GaN層104；步驟5、生長摻雜Si的n-GaN層105；步驟6、生長多周期量子阱MQW發(fā)光層106；步驟7、生長P型AlGaN層107；步驟8、生長低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構GaN層108；步驟9、生長Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層109；步驟10、降溫冷卻110，其中：

1、處理襯底，具體為：

將藍寶石襯底在H₂氣氛里進行退火，清潔襯底表面，溫度為1050℃-1150℃。

2、生長低溫GaN成核層，具體為：

降低溫度至500℃-620℃，保持反應腔壓力400Torr-650Torr，通入NH3和TMGa，生長厚度為20nm-40nm的低溫GaN成核層。

3、生長高溫GaN緩沖層，具體為：

低溫GaN成核層生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理，將退火溫度升高至1000℃-1100℃，退火時間為5min-10min；退火完成后，將溫度調節(jié)至900℃-1050℃，生長壓力控制為400Torr-650Torr，繼續(xù)通入TMGa，外延生長厚度為0.2μm-1μm的高溫GaN緩沖層。

4、生長非摻雜的u-GaN層，具體為：

高溫GaN緩沖層生長結束后，升高溫度到1050℃-1200℃，保持反應腔壓力100Torr-500Torr，通入NH3和TMGa，持續(xù)生長厚度為1μm-3μm的非摻雜u-GaN層。

5、生長摻雜Si的n-GaN層，具體為：

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

6、生長多周期量子阱MQW發(fā)光層，具體為：

非摻雜的u-GaN層生長結束后，通入TEGa、TMIn和SiH4作為MO源，發(fā)光層多量子阱由5-15個周期的In_yGa_1-yN/GaN阱壘結構組成，具體為：

保持反應腔壓力100Torr-500Torr、溫度700℃-800℃，生長摻雜In的厚度為2nm-5nm的InyGa(1-y)N量子阱層，y＝0.1-0.3；

接著升高溫度至800℃-950℃，保持反應腔壓力100Torr-500Torr，生長厚度為8nm-15nm的GaN壘層，其中Si摻雜濃度為8E16atoms/cm³-6E17atoms/cm³，

重復In_yGa_1-yN量子阱層的生長，然后重復GaN壘層的生長，交替生長In_yGa_1-yN/GaN發(fā)光層，控制周期數(shù)為5-15個。

7、生長P型AlGaN層，具體為：

在所述多周期量子阱MQW發(fā)光層生長結束后，保持反應腔壓力20Torr-200Torr、溫度900℃-1100℃，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，生長時間為3min-10min，其中Al的摩爾組分為10％-30％，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm³-1E21atoms/cm³。

8、生長低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層，具體為：

p型AlGaN層生長結束后，先進行低溫層P型GaN生長，生長厚度為10nm-100nm，生長溫度為700℃-800℃，通入TMGa和Cp2Mg作為MO源，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm3-1E21atoms/cm3；

再進行溫度漸變層非摻雜GaN生長，該過程不通入Cp2Mg，生長厚度為10nm-50nm，生長溫度為由低溫P型GaN溫度漸變?yōu)楦邷豍型GaN溫度；

最后進行高溫層P型GaN生長，生長厚度為10nm-100nm，生長溫度為900℃-1000℃，Mg摻雜濃度為1E18atoms/cm3-1E21atoms/cm3；

低溫P型GaN層、溫度漸變非摻雜GaN層、高溫P型GaN層的生長壓力均為100Torr-500Torr。

9、生長Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層，具體為：

低溫P型GaN層，溫度漸變非摻雜GaN層，高溫P型GaN層三段式結構的GaN層生長結束后，生長Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層，先生長P型InGaN層，所用MO源或氣體分別為TEGa、TMIn和Cp2Mg，生長溫度為700℃-1000℃，In組分為3％-30％，Mg摻雜濃度為1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生長厚度為1nm-10nm；

再生長GaN層，所用MO源或氣體為TEGa，生長溫度為700℃-1000℃，生長厚度為0.5nm-10nm；

最后生長n型InGaN層，所用MO源或氣體分別為TEGa、TMIn和SiH₄，生長溫度為700℃-1000℃，In組分為3％-30％，Si摻雜濃度為1E19atoms/cm³-1E22atoms/cm³，生長厚度為1nm-10nm；

P型InGaN層、GaN層和n型InGaN層生長壓力均為100Torr-500Torr。

10、降溫冷卻，具體為：

外延生長結束后，將反應室的溫度降低至650℃-800℃，采用純N₂氛圍進行退火處理5min-10min，然后將至室溫，結束生長。

根據(jù)現(xiàn)有技術的LED的生長方法(背景技術中描述的方法)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)不同點在于生長p型GaN層、接觸層的方法不一樣，本發(fā)明低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層、Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層的生長方法參見實施例1中的第8步和第9步，生長其它外延層生長條件一樣(生長條件請參考表1)。

樣品1和樣品2在相同的前工藝條件下鍍ITO層150nm，相同的條件下鍍Cr/Pt/Au電極70nm，相同的條件下鍍保護層SiO₂ 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。

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動電流350mA條件下測試樣品1和樣品2的光電性能，得到的參數(shù)參見圖4～圖7。以下表1為產(chǎn)品生長參數(shù)對比表。

表1樣品1、2產(chǎn)品生長參數(shù)比較

表1中，樣品1先生長高溫p型GaN層，后生長Mg:GaN/In_xGa_1-xN/Si:InGaN接觸層結構；樣品2采用本發(fā)明的生長方式，先生長低溫P型GaN層/溫度漸變非摻雜GaN層/高溫P型GaN層三段式結構的GaN層，后生長Mg:InGaN/GaN/Si:InGaN接觸層結構。

結合表1、圖4-圖7的數(shù)據(jù)可得出以下結論：

將積分球獲得的數(shù)據(jù)進行分析對比，請參考附圖4、圖5、圖6、圖7，從圖4、圖5數(shù)據(jù)得出樣品2較樣品1亮度從540mw左右增加至543.3mw以上，從圖6、圖7數(shù)據(jù)得出樣品2較樣品1驅動電壓從3.22V降低至3.197v左右。

本專利提供的生長方法比現(xiàn)有技術生長方法同時提高了大尺寸芯片的亮度和降低了驅動電壓。

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，應當理解本申請并非局限于本文所披露的形式，不應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)明構想范圍內(nèi)，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本申請的精神和范圍，則都應在本申請所附權利要求的保護范圍內(nèi)。