一种LED外延结构及其生长方法技术

本发明专利技术的第一目的在于提供了一种LED外延结构及其生长方法，具体包括处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长非掺杂的u‑GaN层、生长掺杂Si的n‑GaN层、生长多周期量子阱MQW发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、生长P型GaN接触层、降温冷却，该生长p型GaN层先通过低温N2气氛生长P型GaN层；再高温H2气氛生长P型GaN层；最后通过高温N2/H2混合气体生长P型GaN层，从而降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。本发明专利技术的第二目的在于提供用此外延结构生长方法生产的LED外延结构，该结构将传统的高温p型GaN层价格改变为低温N2气氛、高温H2气氛、高温N2/H2混合气体的变气氛p型GaN层结构，使LED光功率受到P层空穴浓度的限制，驱动电压受到P层空穴迁移率的限制的问题。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及LED外延设计应用
，特别地，涉及一种LED外延结构及其生长方法。
技术介绍
目前LED(LightEmittingDiode，发光二极管)是一种固体照明，体积小、耗电量低使用寿命长高亮度、环保、坚固耐用等优点受到广大消费者认可，国内生产LED的规模也在逐步扩大；市场上对LED亮度和光效的需求与日俱增，如何生长更好的外延片日益受到重视，因为外延层晶体质量的提高，LED器件的性能可以得到提升，LED的发光效率、寿命、抗老化能力、抗静电能力、稳定性会随着外延层晶体质量的提升而提升。传统LED外延结构生长方法为：(1)将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃-1150℃；(2)将温度下降到500℃-620℃，通入NH3和TMGa，生长20nm-40nm厚的低温GaN成核层，生长压力为400Torr-650Torr；(3)低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；退火之后，将温度调节至900℃-1050℃，继续通入TMGa,外延生长厚度为0.2um-1um间的高温GaN缓冲层，生长压力为400Torr-650Torr；(4)高温GaN缓冲层生长结束后，通入NH3和TMGa,生长厚度为1um-3um非掺杂的u-GaN层，生长过程温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-500Torr；(5)高温非掺杂GaN层生长结束后，通入NH3、TMGa和SiH4，先生长一层掺杂浓度稳定的n-GaN层，厚度为2um-4um，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm3-2E19atoms/cm3；(6)高温非掺杂GaN层生长结束后,生长多周期量子阱MQW发光层，所用MO源为TEGa、TMIn及SiH4。发光层多量子阱由5-15个周期的InyGa1-yN/GaN阱垒结构组成，其中量子阱InyGa1-yN(y＝0.1-0.3)层的厚度为2nm-5nm，生长温度为700℃-800℃，生长压力为100Torr-500Torr；其中垒层GaN的厚度为8nm-15nm，生长温度为800℃-950℃，生长压力为100Torr-500Torr，垒层GaN进行低浓度Si掺杂，Si掺杂浓度为8E16atoms/cm3-6E17atoms/cm3；(7)多周期量子阱MQW发光层生长结束后，生长厚度为50nm-200nm的p型AlGaN层，所用MO源为TMAl,TMGa和Cp2Mg。生长温度为900℃-1100℃，生长时间为3min-10min，压力在20Torr-200Torr，p型AlGaN层的Al的摩尔组分为10％-30％，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm3-1E21atoms/cm3；(8)p型AlGaN层生长结束后，生长高温p型GaN层，所用MO源为TMGa和Cp2Mg。生长厚度为100nm-800nm，生长温度为850℃-1000℃，生长压力为100Torr-500Torr，Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm3-1E21atoms/cm3；(9)P型GaN层生长结束后，生长厚度为5nm-20nm的p型GaN接触层，即Mg:GaN，所用MO源为TEGa和Cp2Mg。生长温度为850℃-1050℃，生长压力为100Torr-500Torr，Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm3-1E22atoms/cm3；(10)外延生长结束后，将反应室的温度降至650℃-800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，然后降至室温，结束生长。LED市场上现在要求LED芯片驱动电压低，特别是大电流下驱动电压越小越好、光效越高越好；LED市场价值的体现为(光效)/单价，光效越好，价格越高，所以LED高光效一直是LED厂家和院校LED研究所所追求的目标。高光效意味着光功率高、驱动电压低，但光功率一定程度上受到P层空穴浓度的限制，驱动电压一定程度上受到P层空穴迁移率的限制，注入的空穴浓度增加，发光层空穴和电子的复合效率增加，高光功率增加，P层空穴迁移率增加驱动电压才能降低。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种LED外延结构及其生长方法，以解决LED光功率受到P层空穴浓度的限制，驱动电压受到P层空穴迁移率的限制，注入的空穴浓度增加，发光层空穴和电子的复合效率增加，高光功率增加，P层空穴迁移率增加，驱动电压才能降低的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种LED外延结构及其生长方法，一种LED外延生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长非掺杂的u-GaN层、生长掺杂Si的n-GaN层、生长多周期量子阱MQW发光层、生长P型AlGaN层、生长如上述的P型GaN层、生长P型GaN接触层、降温冷却。特别地，将蓝宝石衬底在H2气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃-1150℃。特别地，降低温度至500℃-620℃，保持反应腔压力400Torr-650Torr，通入NH3和TMGa，生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层；特别地，在低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，将退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；退火完成后，将温度调节至900℃-1050℃，生长压力控制为400Torr-650Torr，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温GaN缓冲层。特别地，在高温GaN缓冲层生长结束后，升高温度到1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，通入NH3和TMGa，持续生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层；特别地，在非掺杂的u-GaN层生长结束后，通入NH3、TMGa和SiH4，先生长一层掺杂Si浓度稳定的n-GaN层，厚度为2um-4um，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，其中，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm3-2E19atoms/cm3。特别地，在非掺杂的u-GaN层生长结束后，通入TEGa、TMIn和SiH4作为MO源，发光层多量子阱由5-15个周期的InyGa1-yN/GaN阱垒结构组成，具体为：保持反应腔压力100Torr-500Torr、温度700℃-800℃，生长掺杂In的厚度为2nm-5nm的InyGa1-yN量子阱层，y＝0.1-0.3；接着升高温度至800℃-950℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，生长厚度为8nm-15nm的GaN垒层，其中，Si掺杂浓度为8E16atoms/cm3-6E17atoms/cm3，重复InyGa1-yN量子阱层的生长，然后重复GaN垒层的生长，交替生长InyGa1-yN/GaN发光层，控制周期数为5-15个。进一步地，在多周期量子阱MQW发光层生长结束后，保持反应腔压力20Torr-200Torr、温度900℃-1100℃，通入TMAl、TMGa和Cp2Mg作为MO源，持续生长厚度为50nm-200nm的P型AlGaN层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED外延生长方法，其特征在于，依次包括：处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长非掺杂的u‑GaN层、生长掺杂Si的n‑GaN层、生长多周期量子阱MQW发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、生长P型GaN接触层、降温冷却，所述生长P型GaN层包括依次生长的第一层、第二层和第三层，所述第一层、第二层和第三层的生长方法如下：在低温N2气氛下生长第一P型GaN层，生长温度为700℃‑800℃；在高温H2气氛下生长第二P型GaN层，生长温度为900℃‑1000℃；在高温N2/H2混合气氛下生长第三P型GaN层，生长温度为900℃‑1000℃；所述第一层、第二层和第三层的生长过程中：采用MO源或气体分别为TEGa和Cp2Mg，每一层的生长厚度均为10nm‑100nm，生长压力均为100Torr‑500Torr，Mg掺杂浓度均为1E18atoms/cm3‑1E21atoms/cm3。

【技术特征摘要】
1.一种LED外延生长方法，其特征在于，依次包括：处理衬底、生长低温GaN成核层、生长高温GaN缓冲层、生长非掺杂的u-GaN层、生长掺杂Si的n-GaN层、生长多周期量子阱MQW发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、生长P型GaN接触层、降温冷却，所述生长P型GaN层包括依次生长的第一层、第二层和第三层，所述第一层、第二层和第三层的生长方法如下：在低温N2气氛下生长第一P型GaN层，生长温度为700℃-800℃；在高温H2气氛下生长第二P型GaN层，生长温度为900℃-1000℃；在高温N2/H2混合气氛下生长第三P型GaN层，生长温度为900℃-1000℃；所述第一层、第二层和第三层的生长过程中：采用MO源或气体分别为TEGa和Cp2Mg，每一层的生长厚度均为10nm-100nm，生长压力均为100Torr-500Torr，Mg掺杂浓度均为1E18atoms/cm3-1E21atoms/cm3。2.根据权利要求1所述一种LED外延生长方法，其特征在于，所述处理衬底，具体为：将蓝宝石衬底在H2气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1050℃-1150℃。3.根据权利要求1所述一种LED外延生长方法，其特征在于，所述生长低温GaN成核层，具体为：降低温度至500℃-620℃，保持反应腔压力400Torr-650Torr，通入NH3和TMGa，生长厚度为20nm-40nm的低温GaN成核层；所述生长高温GaN缓冲层，具体为：在所述低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，将退火温度升高至1000℃-1100℃，退火时间为5min-10min；退火完成后，将温度调节至900℃-1050℃，生长压力控制为400Torr-650Torr，继续通入TMGa，外延生长厚度为0.2μm-1μm的高温GaN缓冲层。4.根据权利要求1所述一种LED外延生长方法，其特征在于，所述生长非掺杂的u-GaN层，具体为：在所述高温GaN缓冲层生长结束后，升高温度到1050℃-1200℃，保持反应腔压力100Torr-500Torr，通入NH3和TMGa，持续生长厚度为1μm-3μm的非掺杂u-GaN层；所述生长掺杂Si的n-GaN层，具体为：在所述非掺杂的u-GaN层生长结束后，通入NH3、TMGa和SiH4，先生长一层掺杂Si浓度稳定的n-GaN层，厚度为2um-4um，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力为100Torr-600Torr，其中，Si掺杂浓度为8E18atoms/cm3-2E19atoms/cm3。5.根据权利要求1所述一种LED外延生长方法，其特征在于，所述生长多周期量子阱MQ...

【专利技术属性】
技术研发人员：林传强，
申请(专利权)人：湘能华磊光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43