基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法
【专利摘要】本发明公开基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，包括：在氢气气氛下处理蓝宝石衬底5?10分钟；在蓝宝石衬底上生长低温缓冲层GaN；持续生长不掺杂GaN层；持续生长的N型GaN；生长InxGa(1?x)N阱层；生长GaN垒层，周期性生长10?15对InxGa(1?x)N阱层/GaN垒层形成有源层MQW；其中，靠近N型GaN的量子阱能带低于靠近P型GaN的量子阱能带；靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度；持续生长P型AlGaN层；持续生长掺镁的P型GaN层；降温至700?800℃，保温20?30min后在炉内冷却。本发明增强了空穴的注入效率进而提升LED芯片的发光效率。
【专利说明】
基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体芯片制作的技术领域，更具体地，涉及一种基于有源层提高发 光二极管亮度的外延生长方法。
【背景技术】
[0002] 发光二极管(Light-Emitting Diode，简称LED)作为一种将电能转化为光能的半 导体电子器件，与传统的白炽灯泡及氖灯相比，发光二极管以其工作电压低(有的仅一点几 伏）、工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）、抗冲击和抗震性能好、可靠性高、寿命 长、可方便地调制发光的强弱的特点广受欢迎。随着第三代半导体技术的蓬勃发展，半导体 照明以节能、环保、高亮度、寿命长等优点，成为社会发展的焦点，也带动了整个行业上中下 游产业的发展。基于GaN(氮化镓)基的LED芯片是半导体照明的"动力"，在近年来，其性能得 到大幅提升、生产成本也不断降低，为半导体照明走进千家万户做出了突出贡献。但是，为 提高LED照明所占的市场比例，加快替代白炽灯、荧光灯等传统光源，LED器件还需进一步地 提升光效，降低每流明的成本。
[0003] 近年来，多量子阱技术在GaN基LED已经得到了充分应用，量子阱是指由2种不同的 半导体材料相间排列形成的具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。由于量子阱宽度 的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长 形成的多层结构中，如果势皇层足够厚，致使相邻势阱之间载流子波函数之间的耦合很小， 多层结构将形成许多分离的量子阱，成为多量子阱。随着LED技术的发展，传统的LED外延结 构中采用InGaN/GaN(量子阱/量子皇)的有源发光层结构(有源层MQW)作为LED的发光层。
[0004] 为了提高LED的发光效率，目前采用金属有机化学气相沉积技术来生长高亮度的 GaN基LED外延片，金属有机化学气相沉积技术(简称M0CVD技术），是以ΙΠ 族、Π 族元素的有 机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行 气相外延，生长各种m-v族、Π -VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料 的技术。
[0005] 如图1及图2所示，图1为传统LED结构外延生长方法的流程示意图；图2为通过传统 LED结构外延生长方法制备得到的LED的外延层结构示意图。其中，传统LED结构外延生长方 法包括如下步骤：
[0006] 步骤101、在1000-1300°c、反应腔压力维持在50-500torr的氢气气氛下处理蓝宝 石衬底5-10分钟。
[0007] 步骤102、降温至550-650°C，反应腔压力维持在100-500torr，在蓝宝石衬底上生 长厚度为10-40nm的低温缓冲层GaN，即GaN成核层。
[0008] 步骤103、升高温度到1000-1200°c，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长2-4 μπι的非掺杂u-GaN缓冲层。
[0009] 步骤104、温度控制在1000-1200°c，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长2-4 μπι的N型GaN(n-GaN层），其中，Si掺杂浓度为5E+18-2E+19。
[0010] 步骤105、周期性生长10-15对InxGa(1-x)N/GaN的有源层MQW;每个周期的生长步骤 为：反应腔压力维持在200-400torr，温度控制在700-750 °C，生长厚度为2.5-3.5nm的 InxGa(1-X)N阱层，其中，x = 0.015-0.25，In掺杂浓度为1E+20至5E+20;然后升高温度至800-850°C，压力不变，生长厚度为8-12nm的GaN皇层。
[0011] 步骤106、升高温度到900-1000°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长20-60nm的P型AlGaN 层，其中，A1 掺杂浓度 lE+20-3E+20，Mg 掺杂浓度5E+18-1E+19。
[0012] 步骤107、升高温度到930-950°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长100-300nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E+19-1E+20。
[0013] 步骤108、最后降温至700-800°C，保温20-30min后，进行炉内冷却。
[0014]结合图2所示，通过传统LED结构外延生长方法制备得到的LED的外延结构包括： 201为蓝宝石衬底、202为GaN成核层、203为非掺杂u-GaN缓冲层、204为N型GaN层(η-GaN层）、 205为有源层MQW、206为P型AlGaN层、207为P型GaN层(p-GaN层）。
[0015]但是，LED的发光功率在一定程度上受到外延层的空穴浓度的限制，因为LED发光 主要是因为电子和空穴在有源层MQW中复合发光，现有的LED的有源层MQW中，空穴在穿越皇 层时会造成损耗，导致空穴难注入的问题，由此就会影响到制备获得LED的发光效率。
[0016] 因此，提供一种降低空穴在穿越皇层时的损耗，以提高LED发光效率的外延生长方 法是本领域亟待解决的问题。
【发明内容】
[0017] 有鉴于此，本发明提供了一种基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法， 解决了现有的LED的有源层MQW中，空穴在穿越皇层时会造成损耗，导致空穴难注入的问题。
[0018] 为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于有源层提高发光二极管亮度的外延 生长方法，包括：
[0019] 在1000-1300°c、反应腔压力维持在50-500torr的氢气气氛下处理蓝宝石衬底5-10分钟；
[0020] 在蓝宝石衬底上生长厚度为10_40nm的低温缓冲层GaN;
[0021] 持续生长2_4μπι的不掺杂GaN层；
[0022] 持续生长厚度为2-4μπι的N型GaN，其中，Si掺杂浓度为5E+18-2E+19;
[0023] 反应腔压力维持在200-400切^温度控制在700-750°(：，生长厚度为2.5-3.511111的 InxGa(1-X)N 阱层，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 掺杂浓度为 1E+20 至 5E+20;
[0024] 升高温度至800-850°C，压力维持在200-400torr，生长厚度为8-12nm的GaN皇层， 周期性生长10-15对InxGa(1-X)N阱层/GaN皇层形成有源层MQW;其中，通过改变量子阱的In掺 杂量、预铺In或生长温度使得靠近N型GaN的量子阱能带低于靠近P型GaN的量子阱能带；改 变生长时间或改变生长速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度； [0025] 持续生长20-60nm的P型AlGaN层，其中，A1的掺杂浓度lE+20-3E+20，Mg的掺杂浓度 5E+18-1E+19；
[0026] 持续生长100-300nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E+19-1E+20;
[0027] 降温至700-800°C，保温20-30min后在炉内冷却。
[0028] 进一步地，其中，所述周期性生长10-15对InxGa(1-X)N阱层/GaN皇层形成有源层 MQW，包括：
[0029] 反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为3.0nm的InxGa(1- x)N(x = 0.015)阱层，其中，In掺杂浓度为3E+20;
[0030] 升高温度至820°C，压力维持在300torr，生长厚度为10nm的GaN皇层；
[0031] 周期性生长12对InxGa(1-X)N阱层/GaN皇层形成有源层MQW。
[0032]进一步地，其中，所述在蓝宝石衬底上生长厚度为10_40nm的低温缓冲层GaN，包 括：
[0033] 降温至550-650°C，反应腔压力维持在100-500torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为 10-40nm的低温缓冲层GaN〇
[0034] 进一步地，其中，所述持续生长2_4μπι的不掺杂GaN层，包括：
[0035] 升高温度到1000-1200 °C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长2-4μπι的不掺 杂GaN层。
[0036] 进一步地，其中，所述持续生长厚度为2_4μπι的N型GaN，包括：
[0037] 温度在1000-1200°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长厚度为2-4μπι的N 型 GaN。
[0038] 进一步地，其中，所述持续生长20-60nm的P型AlGaN层，包括：
[0039] 升高温度到900-1000°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长20-60nm的P型 AlGaN层。
[0040] 进一步地，其中，所述持续生长100_300nm的掺镁的P型GaN层，包括：
[0041 ] 升高温度到930-950°C，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长100-300nm的掺 镁的P型GaN层。
[0042] 与现有技术相比，本发明的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，实 现了如下的有益效果：
[0043] (1)本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，通过优化量 子阱能带分布改变电子空穴的迀移方式，降低电子泄露的同时增强了空穴的注入效率进而 提升LED芯片的发光效率。
[0044] (2)本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，通过优化量 子阱能带分布改变电子空穴的迀移方式，降低电子泄露的同时增强了空穴的注入效率进而 提升LED芯片的发光效率发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，通 过改变有源层的生长条件，使得靠近N型GaN的量子阱能带低于靠近P型GaN的量子阱能带或 靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度，降低了空穴在穿越皇层时的损 耗，从而提升了 LED芯片有源层MQW中空穴的注入。
[0045] (3)本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，仅仅改变有 源层MQW的生长条件，生成N型GaN端量子阱能带低于P型GaN端量子阱能带的方式，操作简 便、可实施性强。
[0046] 当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
[0047] 通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其 优点将会变得清楚。
【附图说明】
[0048] 被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连 同其说明一起用于解释本发明的原理。
[0049] 图1为传统LED结构外延生长方法的流程示意图；
[0050] 图2为通过传统LED结构外延生长方法制备得到的LED的外延层结构示意图；
[0051] 图3为本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的一个可选 实施例的流程示意图；
[0052]图4为利用本发明实施例1所述基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法 制备得到的LED外延结构的多量子阱能带示意图；
[0053]图5为本发明实施例2所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的 流程示意图；
[0054]图6为本发明本实施例3中通过传统方法制备发光二极管亮度的外延生长方法的 流程示意图；
[0055] 图7为本发明实施例4所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的 流程示意图；
[0056] 图8为本发明实施例5所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的 流程示意图；
[0057]图9为本发明实施例6所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的 流程示意图。
【具体实施方式】
[0058] 现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具 体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本 发明的范围。
[0059] 以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明 及其应用或使用的任何限制。
[0060] 对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适 当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0061] 在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不 是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
[0062] 应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一 个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0063] 实施例1
[0064] 如图3所示，为本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的 一个可选实施例的流程示意图。本发明降低了空穴在穿越皇层时的损耗，从而提升了LED芯 片有源层MQW中空穴的注入。本实施例中所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生 长方法包括以下步骤：
[0065] 步骤301、在1000-1300°C、反应腔压力维持在50-500torr的氢气气氛下处理蓝宝 石衬底5-10分钟。
[0066] 步骤302、在蓝宝石衬底上生长厚度为10-40nm的低温缓冲层GaN。
[0067] 步骤303、持续生长2_4μπι的不掺杂GaN层。
[0068] 步骤304、持续生长厚度为2-4μπι的N型GaN，其中，Si掺杂浓度为5E+18-2E+19。
[0069] 步骤305、反应腔压力维持在200-400torr，温度控制在700-750°C，生长厚度为 2 · 5-3 · 5nm 的 InxGa(i-X)N 阱层，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 掺杂浓度为 1E+20 至 5E+20。
[0070] 步骤306、升高温度至800-850°C，压力维持在200-400torr，生长厚度为8-12nm的 GaN皇层，周期性生长10-15对InxGa(1-x)N阱层/GaN皇层形成有源层MQW;其中，通过改变量子 阱的In掺杂量、预铺In或生长温度使得靠近N型GaN的量子阱能带低于靠近P型GaN的量子阱 能带;改变生长时间或改变生长速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子 阱厚度。
[0071] 步骤307、持续生长20-60nm的P型AlGaN层，其中，A1的掺杂浓度lE+20-3E+20，Mg的 掺杂浓度5E+18-1E+19。
[0072] 步骤308、持续生长100-300nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E+19-1E+20。
[0073] 步骤309、降温至700-800°C，保温20-30min后在炉内冷却。
[0074]本实施例中使用到的化合物原料包括:采用高纯（纯度在99.999%以上)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作为对原，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（TMA1)作为铝源，P 型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，反应压力在50-500torr之间。
[0075] 结合图4所示，图4为利用本实施例所述基于有源层提高发光二极管亮度的外延生 长方法制备得到的LED外延结构的多量子阱能带示意图。在图4中，401为N型GaN层、402为有 源层MQW、403为P型GaN层、404为电子移动方向、405为空穴的移动方向。
[0076] 从图4中可以看出，在LED的有源层中，阱层的能带从N型GaN层到P型GaN层逐渐变 浅，这样设计的好处是在正向电压驱动下，电子在向P型GaN层的迀移为低势能向高势能的 迀移过程，大大减少了电子泄露到P型GaN层的几率;而空穴在向N型GaN层迀移为高势能向 低势能的迀移过程，有利于提高空穴注入量子阱的速率。再者，阱层的宽度从N型GaN层到P 型GaN层逐渐变宽，由于电子的迀移速率远远大于空穴，因而大部分的有效发光复合发生在 靠近P型GaN层的几个量子阱内，因此本发明把靠近P型GaN层的阱层厚度做宽有利于减少空 穴在穿越皇层时的损耗，即增加了参与发光的电子空穴对。
[0077]在LED的技术领域，LED发光主要是因为电子和空穴在MQW发光层中复合发光。本实 施例中方法制备的LED外延层因为增加了参与发光的电子空穴对，进入MQW发光层中的空穴 数量增多，与电子复合的机会增多，从而使得制备获得的LED亮度提升。因此，利用本实施例 所述方法制备获得的LED提高了发光效率。
[0078] 实施例2
[0079] 如图5所示，为本发明实施例2所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长 方法的流程示意图。在本实施例中，设置了实现发光二极管外延生长各个步骤的具体方法。 本实施例中的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法包括以下步骤：
[0080] 步骤501、在1000-1300°c、反应腔压力维持在50-500torr的氢气气氛下处理蓝宝 石衬底5-10分钟。
[0081 ] 步骤502、降温至550-650°C，反应腔压力维持在100-500torr，在蓝宝石衬底上生 长厚度为10_40nm的低温缓冲层GaN〇
[0082] 步骤503、升高温度到1000-1200°C，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长2-4 Mi的不掺杂GaN层。
[0083] 步骤504、温度在1000-1200°C，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长厚度为 2-4μπι的N型GaN层，其中，Si掺杂浓度为5E+18-2E+19。
[0084] 步骤505、反应腔压力维持在200-400torr，温度控制在700-750°C，生长厚度为 2 · 5-3 · 5nm 的 InxGa(i-X)N 阱层，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 掺杂浓度为 1E+20 至 5E+20。
[0085] 步骤506、升高温度至800-850°C，压力维持在200-400torr，生长厚度为8-12nm的 GaN皇层。
[0086] 步骤507、周期性生长10-15对InxGa(1-X)N阱层/GaN皇层形成有源层MQW;其中，通过 改变量子阱的In掺杂量、预铺In或生长温度使得靠近N型GaN的量子阱能带低于靠近P型GaN 的量子阱能带;改变生长时间或改变生长速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型 GaN的量子阱厚度。
[0087] 优选地，在反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为3.0nm的 InxGa(1-x)N(x = 0.015)阱层，其中，In掺杂浓度为3E+20;升高温度至820°C，压力维持在 300torr，生长厚度为10nm的GaN皇层;周期性生长12对In xGa(i-X)N讲层/GaN皇层形成有源层 MQW〇
[0088] 步骤508、升高温度到900-1000°C，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长20-60nm的P型AlGaN层，其中，A1的掺杂浓度lE+20-3E+20，Mg的掺杂浓度5E+18-1E+19。
[0089] 步骤509、升高温度到930-950°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长100-300nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E+19-1E+20。
[0090] 步骤510、降温至700-800°C，保温20-30min后在炉内冷却。
[0091] 通过本实施例所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法制备得到 的LED芯片，通过优化量子阱能带分布改变电子空穴的迀移方式，降低电子泄露的同时增强 了空穴的注入效率进而提升LED芯片的发光效率。
[0092] 实施例3
[0093] 在本实施例中，采用型号为veeco K465i的M0CVD(金属有机化学气相沉积法)生长 LED外延片作为对比示例。结合图6所示，为本实施例的发光二极管亮度的外延生长方法的 流程示意图，具体步骤如下：
[0094] 步骤601、在1100°C，反应腔压力维持在500torr的氢气气氛下处理蓝宝石衬底6分 钟。
[0095] 步骤602、降温至550°C，反应腔压力维持在500torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为 20nm的低温缓冲层GaN〇
[0096] 步骤603、升高温度到1100°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长3μπι的不掺杂 GaN〇
[0097] 步骤604、温度控制在1100°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长4μπι的N型GaN 层，其中，Si掺杂浓度为1E+19。
[0098] 步骤605、周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层MQW。每个周期的生长步骤为:反 应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为3.0nm的InxGa(1- x)N(x = 0.015)阱 层，In掺杂浓度为3E+20;然后升高温度至820°C，压力不变，生长厚度为10nm的GaN皇层。 [0099] 步骤606、再升高温度到900°C，反应腔压力维持在lOOtorr，持续生长40nm的P型 AlGaN层，A1掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18。
[0100] 步骤607、再升高温度到950°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长200nm的掺镁 的P型GaN层，Mg掺杂浓度5E+19。
[0101]步骤608、最后降温至750°C，保温30分钟，接着炉内冷却。制得外延片样品A。
[0102] 实施例4
[0103] 在本实施例中，利用本发明方法生长LED外延片。结合图7所示，为本实施例基于有 源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的流程示意图，具体步骤如下：
[0104] 步骤701、在1100 °C，反应腔压力维持在500torr的氢气气氛下处理蓝宝石衬底6分 钟。
[0105] 步骤702、降温至550 °C下，反应腔压力维持在500t〇rr，在蓝宝石衬底上生长厚度 为20nm的低温缓冲层GaN〇
[0106] 步骤703、升高温度到1100°C下，反应腔压力维持在200torr，持续生长3μπι的不掺 杂 GaN。
[0107] 步骤704、温度控制在1100°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长4μπι的N型GaN， 其中，Si掺杂浓度为1E+19。
[0108] 步骤705、周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层MQW。其中，靠近N型GaN的4个有源 层生长步骤为：反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为2.8nm的 InxGa(1-χ)Ν(χ = 0·015)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长厚度为10nm的GaN皇层； 中间4个有源层生长步骤为：反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为 3.0nm的In xGa(1-χ)Ν(χ = 0·015)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长厚度为10nm的 GaN皇层;靠近P型GaN的4个有源层生长步骤为:反应腔压力维持在300torr，温度控制在750 °C，生长厚度为3.2nm的In xGa(1-x)N(x = 0.015)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长 厚度为l〇nm的GaN皇层。
[0109] 步骤706、再升高温度到900°C，反应腔压力维持在lOOtorr，持续生长40nm的P型 AlGaN层，其中，A1掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18。
[0110] 步骤707、再升高温度到950°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长200nm的掺镁 的P型GaN层，Mg掺杂浓度5E+19。
[0111] 步骤708、最后降温至750°C，保温30分钟，接着炉内冷却，制得外延片样品B。
[0112] 实施例5
[0113] 在本实施例中，利用本发明方法生长LED外延片。结合图8所示，为本实施例基于有 源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的流程示意图，具体步骤如下：
[0114] 步骤801、在1100 °C，反应腔压力维持在500torr的氢气气氛下处理蓝宝石衬底6分 钟。
[0115] 步骤802、降温至550 °C下，反应腔压力维持在500t〇rr，在蓝宝石衬底上生长厚度 为20nm的低温缓冲层GaN〇
[0116] 步骤803、升高温度到1100°C下，反应腔压力维持在200torr，持续生长3μπι的不掺 杂 GaN。
[0117] 步骤804、温度控制在1100°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长4μπι的N型GaN， 其中，Si掺杂浓度为1E+19。
[0118] 步骤805、周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层MQW。其中，靠近N型GaN的4个有源 层生长步骤为：反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为3.0nm的 InxGa(1-χ)Ν(χ = 0·018)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长厚度为10nm的GaN皇层； 中间4个有源层生长步骤为：反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为 3.0nm的In xGa(1-χ)Ν(χ = 0·015)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长厚度为10nm的 GaN皇层;靠近P型GaN的4个有源层生长步骤为:反应腔压力维持在300torr，温度控制在750 °C，生长厚度为3. Onm的InxGa(1-x)N(x = 0.012)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长 厚度为l〇nm的GaN皇层。
[0119] 步骤806、再升高温度到900°C，反应腔压力维持在lOOtorr，持续生长40nm的P型 AlGaN层，其中，A1掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18。
[0120] 步骤807、再升高温度到950°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长200nm的掺镁 的P型GaN层，Mg掺杂浓度5E+19。
[0121] 步骤808、最后降温至750°C，保温30分钟，接着炉内冷却，制得外延片样品C。
[0122] 实施例6
[0123] 在本实施例中，利用本发明方法生长LED外延片。结合图9所示，为本实施例基于有 源层提高发光二极管亮度的外延生长方法的流程示意图，具体步骤如下：
[0124] 步骤901、在1100 °C，反应腔压力维持在500torr的氢气气氛下处理蓝宝石衬底6分 钟。
[0125] 步骤902、降温至550 °C下，反应腔压力维持在500t〇rr，在蓝宝石衬底上生长厚度 为20nm的低温缓冲层GaN〇
[0126] 步骤903、升高温度到1100°C下，反应腔压力维持在200torr，持续生长3μπι的不掺 杂 GaN。
[0127] 步骤904、温度控制在1100°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长4μπι的N型GaN， 其中，Si掺杂浓度为1E+19。
[0128] 步骤905、周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层MQW。其中，靠近N型GaN的4个有源 层生长步骤为：反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为2.8nm的 InxGa(1-χ)Ν(χ = 0·018)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长厚度为10nm的GaN皇层； 中间4个有源层生长步骤为：反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为 3.0應的111必 (13)1^ = 0.015)阱层;然后升高温度至820°(：，压力不变，生长厚度为1011111的 GaN皇层;靠近P型GaN的4个有源层生长步骤为:反应腔压力维持在300torr，温度控制在750 °C，生长厚度为3.2nm的In xGa(1-x)N(x = 0.012)阱层;然后升高温度至820°C，压力不变，生长 厚度为l〇nm的GaN皇层。
[0129] 步骤906、再升高温度到900°C，反应腔压力维持在lOOtorr，持续生长40nm的P型 AlGaN层，其中，A1掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18。
[0130] 步骤907、再升高温度到950°C，反应腔压力维持在200torr，持续生长200nm的掺镁 的P型GaN层，Mg掺杂浓度5E+19。
[0131] 步骤908、最后降温至750°C，保温30分钟，接着炉内冷却，制得外延片样品D。
[0132] 实施例7
[0133] 在本实施例中，将上述实施例3、4、5、6中制得的外延片样品A和样品B、C、D在相同 芯片工艺条件下制作成芯片尺寸为254ym*685.8ym(10mil*27mil)、IT0层厚度约1100埃、 Cr/Pt/Au电极厚度约1200埃，Si02保护层的厚度约400埃的芯片a和b、c、d(外延片样品A和 样品B、C、D分别对应芯片a和b、c、d)，使用同一台芯片点测机测试上述芯片光电参数，测试 结果如表1所示。
[0134] 表1、传统LED外延结构制备芯片与本发明实施例制备芯片的光电参数对比表 「01351
[0136] 从表1中可以看出，在150mA电流驱动下，传统方法制备的芯片样品a和本发明实施 例4、5、6对应的芯片样品b、c、d的波长在450-450.5nm，HW在15-15.5nm，说明多量子阱能带 优化后对波长和半高宽没有造成影响，适合大批量生产。通过本发明制备的LED芯片亮度平 均值在125mW以上，相比传统芯片115mW的亮度有了 8.6 %的提升，说明本发明的多量子阱能 带设计能够有效地抑制电子泄露并增加了空穴的注入效率。
[0137] 通过以上各个实施例可知，本发明的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长 方法存在的有益效果是：
[0138] (1)本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，通过优化量 子阱能带分布改变电子空穴的迀移方式，降低电子泄露的同时增强了空穴的注入效率进而 提升LED芯片的发光效率。
[0139] (2)本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，通过优化量 子阱能带分布改变电子空穴的迀移方式，降低电子泄露的同时增强了空穴的注入效率进而 提升LED芯片的发光效率发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，通 过改变有源层的生长条件，使得靠近N型GaN的量子阱能带低于靠近P型GaN的量子阱能带或 靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度，降低了空穴在穿越皇层时的损 耗，从而提升了 LED芯片有源层MQW中空穴的注入。
[0140] (3)本发明所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，仅仅改变有 源层MQW的生长条件，生成N型GaN端量子阱能带低于P型GaN端量子阱能带的方式，操作简 便、可实施性强。
[0141] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序 产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实 施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机 可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产 品的形式。
[0142] 虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技 术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技 术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发 明的范围由所附权利要求来限定。
【主权项】
1. 一种基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，其特征在于，包括： 在1000-1300°c、反应腔压力维持在50-500torr的氢气气氛下处理蓝宝石衬底5-10分 钟； 在蓝宝石衬底上生长厚度为10_40nm的低温缓冲层GaN; 持续生长2_4ym的不惨杂GaN层； 持续生长厚度为2-4μπι的N型GaN，其中，Si掺杂浓度为5E+18-2E+19; 反应腔压力维持在200-400torr，温度控制在700-750°C，生长厚度为2.5-3.5nm的 InxGa(1-X)N 阱层，其中，x = 0 · 015-0 · 25，In 掺杂浓度为 1E+20 至 5E+20; 升高温度至800_850°C，压力维持在200-400torr，生长厚度为8-12nm的GaN皇层，周期 性生长10-15对InxGa(1-x)N阱层/GaN皇层形成有源层MQW;其中，通过改变量子阱的In掺杂 量、预铺In或生长温度使得靠近N型GaN的量子阱能带低于靠近P型GaN的量子阱能带；改变 生长时间或改变生长速率使得靠近N型GaN的量子阱厚度低于靠近P型GaN的量子阱厚度； 持续生长20-60nm的P型AlGaN层，其中，Al的掺杂浓度lE+20-3E+20，Mg的掺杂浓度5E+ 18-1E+19； 持续生长100_300nm的掺镁的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度1E+19-1E+20; 降温至700-800°C，保温20-30min后在炉内冷却。2. 根据权利要求1所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，其特征在 于，所述周期性生长10-15对InxGau- X)N阱层/GaN皇层形成有源层MQW，包括： 反应腔压力维持在300torr，温度控制在750°C，生长厚度为3.0nn^^InxGa(1- x)N(x = 〇. 015)阱层，其中，In掺杂浓度为3E+20; 升高温度至820°C，压力维持在300torr，生长厚度为IOnm的GaN皇层；周期性生长12对 InxGa(i-x)N讲层/GaN皇层形成有源层MQW。3. 根据权利要求1所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，其特征在 于，所述在蓝宝石衬底上生长厚度为10_40nm的低温缓冲层GaN，包括： 降温至550-650°C，反应腔压力维持在100-500torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为10-40nm的低温缓冲层GaN04. 根据权利要求1所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，其特征在 于，所述持续生长2_4μπι的不掺杂GaN层，包括： 升高温度到l〇〇〇_1200°C，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长2-4μπι的不掺杂 GaN层。5. 根据权利要求1所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，其特征在 于，所述持续生长厚度为2_4μπι的N型GaN，包括： 温度在1000-1200°(：，反应腔压力维持在100-500丨〇灯，持续生长厚度为2-4以111的~型 GaN06. 根据权利要求1所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，其特征在 于，所述持续生长20_60nm的P型AlGaN层，包括： 升高温度到900-1000°C，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长20-60nm的P型 AlGaN层。7. 根据权利要求1所述的基于有源层提高发光二极管亮度的外延生长方法，其特征在 于，所述持续生长100_300nm的掺镁的P型GaN层，包括： 升高温度到930-950°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长100-300nm的掺镁的 P型GaN层。
【文档编号】H01L33/32GK105932126SQ201610356762
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】农明涛, 卢国军, 颜建峰
【申请人】湘能华磊光电股份有限公司