CN109830578A - 一种led外延结构的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED外延结构的生长方法，包括：步骤1：处理蓝宝石基底；步骤2：在基底上生长低温缓冲层氮化镓及不规则小岛；步骤3：生长非掺杂氮化镓层；步骤4：生长硅掺杂的N型氮化镓层；步骤5：生长多量子阱层，包括：步骤5.1：生长硅掺杂的低温Inx1Ga(1‑x1)N阱层；步骤5.2：生长铟掺杂的高温Inx2Ga(1‑x2)N阱层；步骤5.3：生长低温氮化镓垒层；步骤5.4：生长高温氮化镓垒层；步骤6：生长镁掺杂的氮化铝镓层；步骤7：生长镁掺杂的P型氮化镓层；步骤8：650～680℃下保温20～30min，关闭加热和给气系统，随炉冷却。本发明能提高LED发光效率及明显减少LED外延片翘曲。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种LED外延结构的生长方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当LED有电流流过时，LED中的电子与空穴在其多量子阱内复合而发出单色光。LED作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低能耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性和色彩丰富等优点。目前国内生产LED的规模正在逐步扩大，但是LED仍然存在发光效率低下的问题，影响LED的节能效果。
目前现有的LED多量子阱的生长方法制备的LED外延铟氮化稼(InGaN)/氮化稼(GaN)多量子阱品质不高，该多量子阱发光区辐射效率低下，严重阻碍了LED发光效率的提高，影响LED的节能效果。另外，目前4英寸LED普遍存在外延片翘曲大的问题，减少外延片翘曲是行业内的技术难题。
综上所述，急需一种LED外延结构的生长方法，解决现有LED多量子阱中存在的发光效率低下及外延片翘曲的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种LED外延结构的生长方法，具体技术方案如下：
一种LED外延结构的生长方法，包括生长多量子阱层，具体是：
步骤5.1：生长硅掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层；
步骤5.2：生长铟掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层；
步骤5.3：生长低温氮化镓垒层；
步骤5.4：生长高温氮化镓垒层；
重复步骤5.1～5.4依次生长低温Inx1Ga(1-x1)N阱层、高温Inx2Ga(1-x2)N阱层、低温氮化镓垒层和高温氮化镓垒层，重复生长周期数为3～5个，其中：x1和x2的范围都为0.26-0.32，且x2＝x1+0.01。
优选的，步骤5.1中：反应腔温度为500～580℃，硅掺杂浓度从4×1019atoms/cm3线性渐变减少为2×1019atoms/cm3，硅掺杂浓度线性渐变速率为每秒减少1×1017atoms/cm3；步骤5.2中：升高反应腔温度至950～1100℃，铟掺杂浓度从4×1020atoms/cm3渐变增加至5×1020atoms/cm3，铟掺杂浓度渐变速率为每秒增加1×1018atoms/cm3；步骤5.3中：降低反应腔温度至600～650℃；步骤5.4中：升高反应腔温度至1100℃，生长过程中控制反应腔内的温度从1100℃渐变降低至1020℃，温度渐变降低速率为每秒降低0.4～0.5℃。
优选的，在所述步骤5中，
步骤5.1：生长硅掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层，具体是：控制反应腔压力200～280mbar、通入流量为20000～30000sccm的氨气、200～300sccm的三乙基镓、60～90sccm的硅烷以及1300～1400sccm的三甲基铟，生长硅掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层，其阱层厚度为D1＝60～80nm；
步骤5.2：生长铟掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层，具体是：保持反应腔压力、氨气流量、三乙基镓以及三甲基铟的流量不变，生长铟掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层，其阱层厚度为D2＝72～104nm，其中D2＝(1.2～1.3)D1；
步骤5.3：生长低温氮化镓垒层，具体是：保持反应腔压力不变，通入流量为6000～8000sccm的氨气、150～200sccm的三甲基镓及200～250L/min的氮气，且氮原子与镓原子的摩尔比控制为800:1～900:1，生长低温氮化镓垒层，其垒层厚度为D3＝4～6nm；
步骤5.4：生长高温氮化镓垒层，具体是：保持反应腔压力、氨气、三甲基镓及氮气流量不变，且氮原子与镓原子的摩尔比同步骤5.3，生长高温GaN垒层，其垒层厚度为D4＝4～6nm，且D4＝(1.5～2)D3。
优选的，采用金属化学气相沉积法MOCVD在基底上生长高亮度氮化镓基LED外延片，采用高纯氢气和/或高纯氮气作为载气、高纯氨气作为氮源、三甲基镓和/或三乙基镓作为镓源、三甲基铟作为铟源、N型掺杂剂为硅烷、三甲基铝作为铝源以及P型掺杂剂为二茂镁，还包括：
生长多量子阱层之前：
步骤1：处理蓝宝石基底；
步骤2：在蓝宝石基底上生长低温缓冲层氮化镓以及在低温缓冲层氮化镓上形成不规则小岛；
步骤3：生长非掺杂氮化镓层；
步骤4：生长硅掺杂的N型氮化镓层；
生长生长多量子阱层之后：
步骤6：生长镁掺杂的氮化铝镓电子阻挡层；
步骤7：生长镁掺杂的P型氮化镓层；
步骤8：在温度为650～680℃的条件下保温20～30min，接着关闭加热系统和给气系统，随炉冷却。
优选的，所述步骤1具体是：在反应腔温度为620～650℃、反应腔压力为100-300mbar以及通入流量为100～130L/min的氢气的条件下，处理蓝宝石基底5～10min。
优选的，所述步骤2具体是：在反应腔温度为500～600℃、反应腔压力为300～600mbar以及通入流量为10000～20000sccm的氨气、50～100sccm的三甲基镓和100～130L/min的氢气的条件下，在所述蓝宝石基底上生长所述低温缓冲层氮化镓，所述低温缓冲层氮化镓的厚度为20～40nm；
在反应腔温度为1000～1100℃、反应腔压力为300～600mbar以及通入流量为30000～40000sccm的氨气和100～130L/min的氢气的条件下，在所述低温缓冲层氮化镓上形成不规则小岛。
优选的，所述步骤3具体是：在反应腔温度为1000～1200℃、反应腔压力为300～600mbar以及通入流量为30000～40000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓和100～130L/min的氢气的条件下，生长所述非掺杂氮化镓层，所述非掺杂氮化镓层的厚度为2～4μm。
优选的，所述步骤4具体是：保持反应腔温度为1000～1200℃以及反应腔压力为300～600mbar，通入流量为30000～60000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓、100～130L/min的氢气及20～50sccm的硅烷，生长硅掺杂的N型氮化镓，硅掺杂的N型氮化镓的厚度为3～4μm，硅掺杂浓度为5×1018～1×1019atoms/cm3。
优选的，所述步骤6具体是：在反应腔温度为900～950℃、反应腔压力为200～400mbar以及通入流量为50000～70000sccm的氨气、30～60sccm的三甲基镓、100～130L/min的氢气、100～130sccm的三甲基铝和1000～1300sccm的二茂镁的条件下，生长所述镁掺杂的氮化铝镓电子阻挡层，其厚度为40～60nm，镁掺杂浓度为1×1019～1×1020atoms/cm3。
优选的，所述步骤7具体是：在反应腔温度为950～1000℃、反应腔压力为400～900mbar以及通入50000～70000sccm的氨气、20～100sccm的三甲基镓、100～130L/min的氢气和1000～3000sccm的二茂镁的条件下，生长镁掺杂的P型氮化镓层，其厚度为50～200nm，镁掺杂浓度为1×1019～1×1020atoms/cm3。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明所述的LED外延结构的生长方法，能够在量子阱附近形成有效的势垒差，势垒差能够抑制量子阱内的空穴溢出量子阱，从而能够有效提升量子阱内的空穴浓度，进而提高了电子与空穴的复合几率，且本发明有利于提高In的掺杂浓度，有利于在量子阱中形成富In区域，使载流子容易被这些富In区域捕获，产生发光辐射复合，从而提高发光效率。此外，本发明在发光效率提升的情况下，LED在电压、反向电压、漏电、抗静电等电性参数上也呈现出优化趋势。
(2)本发明中在所述步骤5中：a、采用低温、高温交替的多量子阱生长方式使整个多量子阱层形成了梯度电容结构(具体是多量子阱结构中P区中的电子，N区中的空穴，会伴着远离势垒区，载流子数量逐渐减少，即靠近P区或N区处，载流子数量多，远离P区或N区处，载流子的数量少，故形成具有载流子浓度梯度的电容结构)，可以更好的达到限制电流的作用，极大程度地减少了大电流密度下的发光衰减效应，进而有效提高发光效率；b、控制Si和In的掺杂浓度以及温度有规律性地变化，能够提高多量子阱内部外延层之间的晶格匹配度，具体是通过控制Si和In的掺杂浓度规律性变化能够减少Inx1Ga(1-x1)N阱层与Inx2Ga(1-x2)N阱层的晶格畸变，提升两者间的晶格匹配度，温度规律性变化能够使高温GaN垒层的形成替位式混晶结构，混晶结构能够提高与低温GaN垒层的晶格匹配度，因此，能够减少在生长多量子阱层时存在的应力，在此基础上继续生长AlGaN电子阻挡层时，整个外延层达到完全弛豫的状态，从而消除了LED外延层生长过程中晶格失配带来的应力，显著增大了外延层应力的控制效果，从而可以减少外延片翘曲，有利于提高GaN外延片的合格率；c、通过控制氮原子与镓原子的摩尔比实现对氮原子和镓原子二维生长过程的控制，从而使外延层表面变得平整。因此，本发明所述的LED外延结构的生长方法能够有效地提升LED的发光效率，还可以减少外延片翘曲，有利于提高GaN外延片的合格率，并且使外延层表面变得平整，外观更好且产品良率高。
(3)本发明中在所述步骤5.2中在生长In掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层时，将现有的LED外延结构的生长方法中的TMGa改用为TEGa，采用TEGa能够减少反应副产物，提升了In掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层的纯度。此外，所述步骤5.1中在生长Si掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层也采用了TEGa，从而也保证了Si掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层的纯度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照实施例，对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
一种LED外延结构的生长方法，采用金属化学气相沉积法MOCVD在基底上生长高亮度GaN基LED外延片，采用高纯氢气(H2)和/或高纯氮气(N2)作为载气、高纯氨气(NH3)作为氮源、三甲基镓(TMGa)和/或三乙基镓(TEGa)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(TMAl)作为铝源以及P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，具体生长方法包括如下步骤：
步骤1：处理蓝宝石基底，具体是：在反应腔温度为630℃、反应腔压力为200mbar以及通入120L/min的H2的条件下，处理蓝宝石基底8min；
步骤2：在蓝宝石基底上生长低温缓冲层GaN以及在低温缓冲层GaN上形成不规则小岛，具体是：在反应腔温度为550℃、反应腔压力为450mbar以及通入15000sccm的NH3、75sccm的TMGa和120L/min的H2的条件下，在所述蓝宝石基底上生长所述低温缓冲层GaN，所述低温缓冲层GaN的厚度为30nm；在反应腔温度为1050℃、反应腔压力为450mbar以及通入35000sccm的NH3和120L/min的H2的条件下，在所述低温缓冲层GaN上形成不规则小岛；
步骤3：生长非掺杂GaN层，具体是：在反应腔温度为1100℃、反应腔压力为450mbar以及通入35000sccm的NH3、300sccm的TMGa和120L/min的H2的条件下，生长所述非掺杂GaN层，所述非掺杂GaN层的厚度为2～4μm；
步骤4：生长硅(Si)掺杂的N型GaN层，具体是：保持反应腔温度为1100℃以及反应腔压力为450mbar，通入流量为45000sccm的NH3、300sccm的TMGa、120L/min的H2及30sccm的SiH4，生长Si掺杂的N型GaN，Si掺杂的N型GaN的厚度为3.5μm，Si掺杂浓度为8×1018atoms/cm3；
步骤5：生长多量子阱层，具体包括：步骤5.1：生长Si掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层，具体是控制反应腔压力为240mbar、反应腔温度540℃以及通入流量为25000sccm的NH3、250sccm的TEGa、85sccm的SiH4和1350sccm的TMIn，生长Si掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层，其阱层厚度为D1＝70nm，Si掺杂浓度从4×1019atoms/cm3线性渐变减少为2×1019atoms/cm3，Si掺杂浓度线性渐变速率为每秒减少1×1017atoms/cm3；
步骤5.2：生长In掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层，具体是保持反应腔压力、NH3流量、TEGa以及TMIn的流量不变，升高反应腔温度至1020℃，生长In掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层，其阱层厚度为D2＝88nm，其中D2＝1.25D1，In掺杂浓度从4×1020atoms/cm3渐变增加至5×1020atoms/cm3，铟掺杂浓度渐变速率为每秒增加1×1018atoms/cm3，x1和x2的范围都为0.26-0.32，且x2＝x1+0.01；
步骤5.3：生长低温GaN垒层，具体是降低反应腔温度至625℃，保持反应腔压力不变，通入流量为7000sccm的NH3、175sccm的TMGa及225L/min的N2，且N与Ga的摩尔比控制为850:1，生长低温GaN垒层，其垒层厚度为D3＝5nm；
步骤5.4：生长高温GaN垒层，具体是升高反应腔温度至1100℃，保持反应腔压力、NH3、TMGa及N2流量不变，且N与Ga的摩尔比同步骤5.3，生长过程中控制反应腔内的温度从1100℃渐变降低至1020℃，温度渐变降低速率为每秒降低0.4～0.5℃，生长高温GaN垒层，其垒层厚度为D4＝5nm，且D4＝1.7D3；
重复步骤5.1～5.4依次生长低温Inx1Ga(1-x1)N阱层、高温Inx2Ga(1-x2)N阱层、低温GaN垒层和高温GaN垒层，重复生长周期数为4个；
步骤6：生长镁(Mg)掺杂的氮化铝镓(AlGaN)电子阻挡层，具体是：在反应腔温度为925℃、反应腔压力为300mbar以及通入流量为60000sccm的NH3、45sccm的TMGa、120L/min的H2、120sccm的TMAl和1150sccm的CP2Mg的条件下，生长所述Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层，其厚度为50nm，Mg掺杂浓度为5×1019atoms/cm3；
步骤7：生长Mg掺杂的P型GaN层，具体是在反应腔温度为970℃、反应腔压力为650mbar以及通入流量为60000sccm的NH3、60sccm的TMGa、120L/min的H2和2000sccm的CP2Mg的条件下，生长Mg掺杂的P型GaN层，其厚度为125nm，Mg掺杂浓度为5×1019atoms/cm3；
步骤8：在温度为665℃的条件下保温25min，接着关闭加热系统和给气系统，随炉冷却。
对比例1：
与实施例1不同的是步骤5.1中Si掺杂浓度线性渐变速率为每秒减少0.5×1017atoms/cm3，其它条件不变。
对比例2：
与实施例1不同的是步骤5.1中Si掺杂浓度线性渐变速率为每秒减少1.5×1017atoms/cm3，其它条件不变。
对比例3：
与实施例1不同的是步骤5.2中铟掺杂浓度渐变速率为每秒增加0.5×1018atoms/cm3，其它条件不变。
对比例4：
与实施例1不同的是步骤5.2中铟掺杂浓度渐变速率为每秒增加1.5×1018atoms/cm3，其它条件不变。
对比例5：
与实施例1不同的是步骤5.3中N与Ga的摩尔比控制为750:1，其它条件不变。
对比例6：
与实施例1不同的是步骤5.3中N与Ga的摩尔比控制为950:1，其它条件不变。
对比例7：
与实施例1不同的是步骤5.4中温度渐变降低速率为每秒降低0.3℃，其它条件不变。
对比例8：
与实施例1不同的是步骤5.4中温度渐变降低速率为每秒降低0.6℃，其它条件不变。
对比例9：
一种现有的LED外延结构的生长方法，采用金属化学气相沉积法MOCVD在基底上生长高亮度GaN基LED外延片，采用高纯H2和高纯N2作为载气，高纯NH3作为氮源，TMGa作为镓源，TMIn作为铟源，N型掺杂剂为SiH4，TMAl作为铝源，P型掺杂剂为CP2Mg，具体生长方法包括如下步骤：
步骤1：处理蓝宝石基底；
步骤2：在蓝宝石基底上生长低温缓冲层GaN以及在低温缓冲层GaN上形成不规则小岛；
步骤3：生长非掺杂GaN层；
步骤4：生长Si掺杂的N型GaN层；
步骤5：生长多量子阱层，具体包括：步骤5.1：生长In掺杂的InxGa(1-x)N阱层；步骤5.2：生长GaN垒层；重复步骤5.1～5.2依次生长In掺杂的InxGa(1-x)N阱层和GaN垒层，重复生长周期数为11个；
步骤6：生长Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层；
步骤7：生长Mg掺杂的P型GaN层；
步骤8：在温度为665℃的条件下保温25min，接着关闭加热系统和给气系统，随炉冷却。
在对比例1中步骤1～4和步骤6～8与实施例1的相同，对比例1中步骤5与实施例1的不同，在所述步骤5中，
步骤5.1：生长In掺杂的InxGa(1-x)N阱层，具体是控制反应腔压力为350mbar、反应腔温度为725℃，通入流量为60000sccm的NH3、30sccm的TMGa、1750sccm的TMIn、120L/min的N2，持续生长In掺杂的InxGa(1-x)N阱层，其厚度为3.0nm，x＝0.20～0.25；
步骤5.2：生长GaN垒层，具体是控制反应腔压力为350mbar、反应腔温度为800℃，通入流量为60000sccm的NH3、60sccm的TMGa、120L/min的N2，生长GaN垒层，其厚度为12nm。
根据实施例1和对比例1～9所述的LED外延结构的生长方法分别批量制得样品1和样品2～10，样品1和样品2～10在相同的工艺条件下镀氧化铟锡(ITO)层约150nm，相同的条件下镀铬\铂\金(Cr/Pt/Au)电极约1500nm，相同的条件下镀保护层二氧化硅(SiO2)约100nm，然后在相同的条件下将样品1和样品2～10研磨切割成635μm×635μm(25mil×25mil)的芯片颗粒，之后将样品1和样品2在相同位置各自挑选100颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。参见表1，采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能。
表1样品1和样品2～10的光电性能参数比较结果
由表1知，将积分球获得的数据进行对比分析，本发明提供的LED外延结构的生长方法制备的LED(样品1)解决了现有的LED(样品10)多量子阱发光辐射复合效率低下的问题，从而提高了LED的发光效率，且在发光效率提高的基础上，样品1在电压、反向电压、漏电、抗静电通过率等LED电性参数上也呈现出优化趋势，改善了LED的光电性能。
对样品1和样品10的翘曲度BOW值(μm)进行统计，样品1翘曲度平均值为5.3μm，样品10翘曲度平均值为6.4μm，本发明制作的样品1的翘曲度明显要小，这说明本发明能够明显减少LED外延片翘曲，提高产品良率；此外，样品1的波长集中度优于样品10的波长集中度，使得样品1更容易被客户接受，产品竞争力越高。
由实施例1和对比例1～2知，步骤5.1中Si掺杂浓度渐变速率偏小或偏大均会对样品光电性能参数造成影响，具体是Si掺杂浓度渐变速率偏小或偏大时，样品2和3的发光效率均低于样品1的146.7lm/w，样品2和3的翘曲度平均值均高于样品1的翘曲度平均值5.3μm，样品1的波长集中度优于样品2和3的波长集中度。
由实施例1和对比例3～4知，步骤5.2中In掺杂浓度渐变速率偏小或偏大均会对样品光电性能参数造成影响，具体是In掺杂浓度渐变速率偏小或偏大时，样品4和5的发光效率均低于样品1的146.7lm/w，样品4和5的翘曲度平均值均高于样品1的翘曲度平均值5.3μm，样品1的波长集中度优于样品4和5的波长集中度。
由实施例1和对比例5～6知，步骤5.3中N与Ga的摩尔比偏小或偏大均会对样品光电性能参数造成影响，具体是N与Ga的摩尔比偏小或偏大时，样品6和7的发光效率均低于样品1的146.7lm/w，样品6和7的翘曲度平均值均高于样品1的翘曲度平均值5.3μm，样品1的波长集中度优于样品6和7的波长集中度。
由实施例1和对比例7～8知，步骤5.4中温度渐变降低速率偏小或偏大均会对样品光电性能参数造成影响，具体是温度渐变降低速率偏小或偏大时，样品8和9的发光效率均低于样品1的146.7lm/w，样品8和9的翘曲度平均值均高于样品1的翘曲度平均值5.3μm，样品1的波长集中度优于样品8和9的波长集中度。
这说明实施例1的Si和In的掺杂浓度渐变速率、N与Ga的摩尔比以及温度渐变降低速率能够获得产品最优的发光效率，翘曲度平均值以及波长集中度，使得产品发光效率增强，产品良率提高，产品更容易被客户接受，产品竞争力越高。此外，样品1相比于样品1～9在电压、反向电压、漏电、抗静电通过率等LED电性参数上也呈现出优化趋势，改善了LED的光电性能。
原因分析：(1)Si掺杂浓度渐变速率偏小或偏大都会导致材料发生晶格畸变，造成产品光电性能下降；(2)In的掺杂浓度渐变速率偏大会使In组分快速升高，产生过多的In空位会形成漏电流通道，继而引发反向漏电流IR的增加，降低LED的稳定性和可靠性；In的掺杂浓度渐变速率偏小，Inx2Ga(1-x2)N的In原子解吸分离的速度会成指数关系降低，此时会导致外延片中In掺杂非均匀分散，引发位错等缺陷，导致外延片的结晶质量降低，影响材料生长质量，导致外延片光电性能参数下降；(3)N与Ga的摩尔比偏小或偏大均不易实现对N和Ga二维生长过程的控制，容易使外延层表面变得扭曲，造成产品光电性能下降；(4)温度渐变降低速率偏大，在温度降低的情况下，外延层Ga原子会随着温度的降低发生凝聚的现象，成为金属液滴，即垒层GaN的Ga组分减少，势阱层存在的禁带宽度减小，会使波长增加，导致波长范围不集中；温度渐变量偏小，不利于高温GaN垒层形成替位式混晶结构，会导致晶格失配度增大以及应力增大，最后造成产品翘曲度增大。
综上，通过实施例1和对比例1～9分析知，控制Si和In的掺杂浓度渐变速率，N与Ga的摩尔比以及温度渐变降低速率对获得产品最优的发光效率，翘曲度平均值以及波长集中度非常重要。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED外延结构的生长方法，其特征在于，包括生长多量子阱层，具体是：
步骤5.1：生长硅掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层；
步骤5.2：生长铟掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层；
步骤5.3：生长低温氮化镓垒层；
步骤5.4：生长高温氮化镓垒层；
重复步骤5.1～5.4依次生长低温Inx1Ga(1-x1)N阱层、高温Inx2Ga(1-x2)N阱层、低温氮化镓垒层和高温氮化镓垒层，重复生长周期数为3～5个，其中：x1和x2的范围都为0.26-0.32，且x2＝x1+0.01。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，步骤5.1中：反应腔温度为500～580℃，硅掺杂浓度从4×1019atoms/cm3线性渐变减少为2×1019atoms/cm3，硅掺杂浓度线性渐变速率为每秒减少1×1017atoms/cm3；步骤5.2中：升高反应腔温度至950～1100℃，铟掺杂浓度从4×1020atoms/cm3渐变增加至5×1020atoms/cm3，铟掺杂浓度渐变速率为每秒增加1×1018atoms/cm3；步骤5.3中：降低反应腔温度至600～650℃；步骤5.4中：升高反应腔温度至1100℃，生长过程中控制反应腔内的温度从1100℃渐变降低至1020℃，温度渐变降低速率为每秒降低0.4～0.5℃。
3.根据权利要求2所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤5中，
步骤5.1：生长硅掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层，具体是：控制反应腔压力200～280mbar、通入流量为20000～30000sccm的氨气、200～300sccm的三乙基镓、60～90sccm的硅烷以及1300～1400sccm的三甲基铟，生长硅掺杂的低温Inx1Ga(1-x1)N阱层，其阱层厚度为D1＝60～80nm；
步骤5.2：生长铟掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层，具体是：保持反应腔压力、氨气流量、三乙基镓以及三甲基铟的流量不变，生长铟掺杂的高温Inx2Ga(1-x2)N阱层，其阱层厚度为D2＝72～104nm，其中D2＝(1.2～1.3)D1；
步骤5.3：生长低温氮化镓垒层，具体是：保持反应腔压力不变，通入流量为6000～8000sccm的氨气、150～200sccm的三甲基镓及200～250L/min的氮气，且氮原子与镓原子的摩尔比控制为800:1～900:1，生长低温氮化镓垒层，其垒层厚度为D3＝4～6nm；
步骤5.4：生长高温氮化镓垒层，具体是：保持反应腔压力、氨气、三甲基镓及氮气流量不变，且氮原子与镓原子的摩尔比同步骤5.3，生长高温GaN垒层，其垒层厚度为D4＝4～6nm，且D4＝(1.5～2)D3。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，采用金属化学气相沉积法MOCVD在基底上生长高亮度氮化镓基LED外延片，采用高纯氢气和/或高纯氮气作为载气、高纯氨气作为氮源、三甲基镓和/或三乙基镓作为镓源、三甲基铟作为铟源、N型掺杂剂为硅烷、三甲基铝作为铝源以及P型掺杂剂为二茂镁，还包括：
生长多量子阱层之前：
步骤1：处理蓝宝石基底；
步骤2：在蓝宝石基底上生长低温缓冲层氮化镓以及在低温缓冲层氮化镓上形成不规则小岛；
步骤3：生长非掺杂氮化镓层；
步骤4：生长硅掺杂的N型氮化镓层；
生长生长多量子阱层之后：
步骤6：生长镁掺杂的氮化铝镓电子阻挡层；
步骤7：生长镁掺杂的P型氮化镓层；
步骤8：在温度为650～680℃的条件下保温20～30min，接着关闭加热系统和给气系统，随炉冷却。
5.根据权利要求4所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤1具体是：在反应腔温度为620～650℃、反应腔压力为100-300mbar以及通入流量为100～130L/min的氢气的条件下，处理蓝宝石基底5～10min。
6.根据权利要求5所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤2具体是：在反应腔温度为500～600℃、反应腔压力为300～600mbar以及通入流量为10000～20000sccm的氨气、50～100sccm的三甲基镓和100～130L/min的氢气的条件下，在所述蓝宝石基底上生长所述低温缓冲层氮化镓，所述低温缓冲层氮化镓的厚度为20～40nm；
在反应腔温度为1000～1100℃、反应腔压力为300～600mbar以及通入流量为30000～40000sccm的氨气和100～130L/min的氢气的条件下，在所述低温缓冲层氮化镓上形成不规则小岛。
7.根据权利要求6所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤3具体是：在反应腔温度为1000～1200℃、反应腔压力为300～600mbar以及通入流量为30000～40000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓和100～130L/min的氢气的条件下，生长所述非掺杂氮化镓层，所述非掺杂氮化镓层的厚度为2～4μm。
8.根据权利要求7所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤4具体是：保持反应腔温度为1000～1200℃以及反应腔压力为300～600mbar，通入流量为30000～60000sccm的氨气、200～400sccm的三甲基镓、100～130L/min的氢气及20～50sccm的硅烷，生长硅掺杂的N型氮化镓，硅掺杂的N型氮化镓的厚度为3～4μm，硅掺杂浓度为5×1018～1×1019atoms/cm3。
9.根据权利要求8所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤6具体是：在反应腔温度为900～950℃、反应腔压力为200～400mbar以及通入流量为50000～70000sccm的氨气、30～60sccm的三甲基镓、100～130L/min的氢气、100～130sccm的三甲基铝和1000～1300sccm的二茂镁的条件下，生长所述镁掺杂的氮化铝镓电子阻挡层，其厚度为40～60nm，镁掺杂浓度为1×1019～1×1020atoms/cm3。
10.根据权利要求9所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤7具体是：在反应腔温度为950～1000℃、反应腔压力为400～900mbar以及通入50000～70000sccm的氨气、20～100sccm的三甲基镓、100～130L/min的氢气和1000～3000sccm的二茂镁的条件下，生长镁掺杂的P型氮化镓层，其厚度为50～200nm，镁掺杂浓度为1×1019～1×1020atoms/cm3。
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| GR01 | Patent grant | ||
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