本发明涉及一种高亮度led外延片的生长方法。
背景技术：
：氮化镓(gan)基发光二极管(light-emittingdiode，led)是一种常用的半导体发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。led外延片是led生产过程的基础且关键的环节，目前一般采用的传统外延片生长过程为：通常使用蓝宝石衬底至mocvd(金属有机气相沉积)反应腔体内进行gan基led生长，利用电子和空穴在发光区的复合产生自发辐射的荧光。现有技术存在以下问题：由于电子具有极高的迁移率，而空穴惰性较强，通常两者高效率的复合发光需要发光层量子阱具备有较强的势垒，对于跃迁的电子形成更高的限制作用，将更多的电子限制在ingan阱中与空穴结合，达到更高的发光效率。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种高亮度led外延片的生长方法，能够有效提高对电子过量跃迁，达到更高的发光效率。为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高亮度led外延片的生长方法，包括如下步骤：步骤s1、利用mocvd设备在蓝宝石衬底上形成基础gan缓冲结构；步骤s2、在mocvd腔体内进行高温低压处理形成gan结晶；步骤s3、在mocvd腔体内进行退火后，利用高温形成gan的侧向和纵向生长，完成聚合填平过程；步骤s4、利用mocvd设备，在聚合填平基础上继续生长si掺杂的n型gan基led；步骤s5、在mocvd腔体内继续进行高低温度交错生长多量子层，形成低温ingan结构以及高温algan结构交错重复生长，得到多层次交替的发光区结构，形成电子和空穴高效复合区域；步骤s6、利用mocvd设备，在交错生长的多量子层上继续生长mg掺杂p型gan基led。在本发明一实施例中，步骤s1中，所述mocvd设备为金属有机物化学气相沉积mocvd设备。在本发明一实施例中，步骤s3中，所述高温为1000-1100℃。在本发明一实施例中，步骤s5中，以高纯度nh3、三乙基镓为反应源，进行低压力下的气相有机沉积，其中，温度为750-900℃，ingan阱厚度为3-5nm，algan垒厚度为8-10nm，氨气流量为100-150slm，氮气流量为90-130slm，sih4用量为0.1-0.3sccm。在本发明一实施例中，所述温度为780-880℃，ingan阱厚度为4-5nm，所述algan垒厚度为9-10nm，氨气流量为120-145slm，氮气流量为100-130slm，sih4用量为0.2-0.3sccm。在本发明一实施例中，步骤s5中，所述低温ingan结构生长时，使用的气体为氨气、氮气的混合气体，金属有机源为三乙基镓，通过三甲基铟掺杂获得。在本发明一实施例中，步骤s5中，所述高温algan结构生长时，使用的气体为氨气、氢气、氮气的混合气体，金属有机源为三乙基镓和三甲基铝，通过sih4掺杂获得。在本发明一实施例中，步骤s5中，所述多量子层的生长过程为：第一部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入少量的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，第二部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入相对第一部分预定比例的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，第三部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入相对第二部分预定比例的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，进行有高到低的势垒加强，以有效提高对电子过量跃迁。相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过在量子垒中分高、中、低三个层次加入三甲基铝，并利用分段式循环方式相结合，显著提高多重垒的限制阻挡作用，将更多电子限制在量子阱中与空穴符合，提高led亮度1-2％。附图说明图1为本发明一种氮化镓发光二极管外延片的结构图。具体实施方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。本发明提供了一种高亮度led外延片的生长方法，包括如下步骤：步骤s1、利用mocvd设备在蓝宝石衬底上形成基础gan缓冲结构；步骤s2、在mocvd腔体内进行高温低压处理形成gan结晶；步骤s3、在mocvd腔体内进行退火后，利用高温形成gan的侧向和纵向生长，完成聚合填平过程；步骤s4、利用mocvd设备，在聚合填平基础上继续生长si掺杂的n型gan基led；步骤s5、在mocvd腔体内继续进行高低温度交错生长多量子层，形成低温ingan结构以及高温algan结构交错重复生长，得到多层次交替的发光区结构，形成电子和空穴高效复合区域；步骤s6、利用mocvd设备，在交错生长的多量子层上继续生长mg掺杂p型gan基led。本发明种高亮度led外延片的生长方法，利用mocvd进行的gan高效率生长方式，得到高效率的led外延片共分为以下阶段：1、利用mocvd设备在蓝宝石衬底上形成基础gan缓冲结构；2、在mocvd腔体内进行高温低压处理形成gan结晶；3、在mocvd内进行退火后，利用高温形成gan的侧向和纵向生长，完成聚合填平过程；4、利用mocvd，在填平基础上继续生长si掺杂的n型gan基led5、在mocvd内继续进行高低温度交错生长多量子层，形成低温ingan结构以及高温algan结构交错重复生长，得到多层次交替的发光区结构，形成电子和空穴高效复合区域；6、利用mocvd，在所述生长多量子层上继续生长mg掺杂p型gan基led；步骤1中，使用的设备为金属有机物化学气相沉积mocvd；步骤3和4中，所述侧向外延聚合过程中温度为1000-1100℃步骤5中，以高纯度nh3、三乙基镓为反应源，进行低压力下的气相有机沉积，使用温度为750-900℃，优选温度为780-880℃，ingan阱厚度3-5nm,优选厚度为4-5nm，algan垒厚度8-10nm，优选厚度为9-10nm，氨气流量为100-150slm,优选用为120-145slm，氮气流量为90-130slm，优选用100-130slm，sih4用量为0.1-0.3sccm，优选用量为0.2-0.3sccm；步骤5中，所述的低温ingan结构中使用的气体为氨气、氮气的混合气体，金属有机源为三乙基镓，通过三甲基铟掺杂获得；步骤5中，所述的低温algan结构中使用的气体为氨气、氢气、氮气的混合气体，金属有机源为三乙基镓和三甲基铝，通过sih4掺杂获得；步骤1中，在所述的缓冲层上依次生长n型氮化镓、多量子阱发光层、p型氮化镓层；上述方法得到的高亮度led外延片，测试效果如下表1、2所示：表1chip亮度重复测试表2积分亮度测试以下为本发明的具体实施过程。图1的浅黄色部分展示了本发明提供的多重量子阱发光层生长方法的核心思路，主要分三个部分：第一部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入少量的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，第二部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入相对第一部分一定比例的的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，第三部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入相对第二部分一定比例的的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，进行有高到低的势垒加强，可以有效提高对电子过量跃迁，具体包括以下步骤：步骤1:首先采用气相沉积的方式先在4英寸蓝宝石衬底上垒晶gan，形成正常结晶的gan底层，在底层基础上继续生长si掺杂的n型gan。步骤2:设定温度调整至770℃-800℃生长2min-4min，同时通入n2流量120slm-140slm，nh3流量130slm-150slm，三乙基镓通入220sccm-260sccm，三甲基铟通入1200sccm-1500sccm生长一定厚度的量子阱薄层，生长温度优选780℃-790℃，厚度优选3nm-5nm最佳。步骤3:设定温度调整至850℃-880℃生长1-2min，同时通入n2流量100slm-120slm，nh3流量120slm-160slm，三乙基镓通入1200sccm-1400sccm，三甲基铝通入3sccm-10sccm，sih4通入0.2sccm-0.4sccm生长一定厚度的量子磊薄层，生长温度优选860℃-870℃，厚度优选9nm-11nm最佳。设定步骤2和步骤3做三次循环生长。步骤4:条件和步骤2相同。步骤5:设定温度调整至850℃-880℃生长2-3min，三乙基镓通入800sccm-1500sccm，三甲基铝通入2sccm-20sccm，其他条件与步骤3相同设定步骤4和步骤5做三次循环生长步骤6:条件和步骤2相同。步骤7:设定温度调整至850℃-880℃生长3-4min，三乙基镓通入800-1000sccm，三甲基铝通入2-3sccm，其他条件与步骤3相同设定步骤6和步骤7做三次循环生长以150-200转/min转速进行生长。腔体压力控制在500torr-600torr。在生长步骤3量子垒的过程中，少量h2通入5-10sccm，可提高量子阱的三甲基铟的充分掺杂。在步骤2和步骤3的过度期间，温度设定840℃-860℃，少量sih4通入0.1-0.2sccm，可提高导电性能。在生长过程中，通入反应腔体的气体为n2、h2、nh3的混合气体，混合气体的体积之和要小于300l；由于量子垒通入三甲基铝，适当温度升高5℃-10℃有助于提高垒的结晶质量；表3随着三个级别三甲基铝通入量下降，需要配合量子垒的厚度以及生长速度随之下降表3一级(3个循环)二级(3个循环)三级(3个循环)三甲基铝4-8sccm3-6sccm2-4sccm三乙基镓1200-1500sccm1000-1300sccm700-1000sccm垒生长时间1-2min2-4min3-6min继续在发光层上生长p型氮化镓层；本发明将步骤2和3、4和5、6和7进行严格配合控制，其中步骤3、4、5中的优化调整温度、时间，可以有效控制量子垒的厚度以及结晶质量，通过对三个级别量子垒的al掺杂和三乙基镓的比例，从而控制垒的势能高低，改善量子垒的电子限制作用。另外一方面，通过对步骤3、4、5中sih4工艺参数的精确控制和改变，可以有效对由于掺al导致电阻值升高和高光效之间的平衡。第一层级algan量子垒的al通量最高，生长速率最高，可以有效提高电子的阻隔能力，而通过第二层级和第三层级能阶的下降，又不会过于影响垒的结晶质量以及空穴的注入效率，从而提高有源层中电子和空穴的复合效率，减少俄歇复合，提高ganled的发光效率。实施例1用mocvd(化学气相沉积)设备，石墨盘采用34片盘，衬底采用四寸蓝宝石衬底01。在mocvd腔体内生长缓冲层，n型氮化镓。温度调整至780℃-880℃，通入步骤2和3中的n2、h2、nh3混合气体，以及金属源，并按顺序完成步骤4、5、6、7，形成3 3 3的ingan和algan多量子层结构在发光层基础上继续生长p型氮化镓，完成总厚度6.5um生长实施例1生长的led外延片表面正常平整，对其进行pl发光强度测试，其积分强度(i.i)和发光强度(pd)值分别为210和170，对比传统方式生长的led外延片，其i.i和pd值分别为200和160，说明该方法明显提高了led外延片的发光亮度，实施例1生长的外延片进行清洗、刻蚀、金属蒸镀等芯片工艺，制作成9mil*20mil的led芯片，并对芯片进行光电性能测试，通入测试电流20ma,得到工作电压3.01v，发光亮度99mw,通入反向-5v电压，得到反向电流均值0.001ua，反向漏电良率>99.5％(按反向漏电流<0.1ua统计)，4kv静电(esd)释放条件下，良率为98.5％，与传统方式的led外延片制作的芯片相比，发光亮度提升4mw。选取芯片50颗，焊线打线后，积分球亮度测试92mw，与传统方式的led外延片制作的芯片相比，发光亮度提升2mw，综合说明实施例1的led外延片亮度较传统的led有了明显的改善综上所述，尽管上文已经通过一般性的说明及具体实施案例对本发明做了相近的描述，但是在本发明的基础上，可以对其进行一些修改和改进，这些对本领域技术人员而言是非常显而易见的，因此在不偏离本发明核心方法基础上做的一些修改和改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤s1、利用mocvd设备在蓝宝石衬底上形成基础gan缓冲结构；
步骤s2、在mocvd腔体内进行高温低压处理形成gan结晶；
步骤s3、在mocvd腔体内进行退火后，利用高温形成gan的侧向和纵向生长，完成聚合填平过程；
步骤s4、利用mocvd设备，在聚合填平基础上继续生长si掺杂的n型gan基led；
步骤s5、在mocvd腔体内继续进行高低温度交错生长多量子层，形成低温ingan结构以及高温algan结构交错重复生长，得到多层次交替的发光区结构，形成电子和空穴高效复合区域；
步骤s6、利用mocvd设备，在交错生长的多量子层上继续生长mg掺杂p型gan基led。
2.根据权利要求1所述的一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，步骤s1中，所述mocvd设备为金属有机物化学气相沉积mocvd设备。
3.根据权利要求1所述的一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，步骤s3中，所述高温为1000-1100℃。
4.根据权利要求1所述的一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，步骤s5中，以高纯度nh3、三乙基镓为反应源，进行低压力下的气相有机沉积，其中，温度为750-900℃，ingan阱厚度为3-5nm，algan垒厚度为8-10nm，氨气流量为100-150slm，氮气流量为90-130slm，sih4用量为0.1-0.3sccm。
5.根据权利要求4所述的一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，所述温度为780-880℃，ingan阱厚度为4-5nm，所述algan垒厚度为9-10nm，氨气流量为120-145slm，氮气流量为100-130slm，sih4用量为0.2-0.3sccm。
6.根据权利要求1所述的一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，步骤s5中，所述低温ingan结构生长时，使用的气体为氨气、氮气的混合气体，金属有机源为三乙基镓，通过三甲基铟掺杂获得。
7.根据权利要求1所述的一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，步骤s5中，所述高温algan结构生长时，使用的气体为氨气、氢气、氮气的混合气体，金属有机源为三乙基镓和三甲基铝，通过sih4掺杂获得。
8.根据权利要求1所述的一种高亮度led外延片的生长方法，其特征在于，步骤s5中，所述多量子层的生长过程为：第一部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入少量的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，第二部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入相对第一部分预定比例的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，第三部分是保持低温量子阱不变，量子垒全程通入相对第二部分预定比例的al形成algan，并且设定三次阱垒循环，进行有高到低的势垒加强，以有效提高对电子过量跃迁。
技术总结本发明涉及一种高亮度LED外延片的生长方法。该方法包括：步骤S1、利用MOCVD设备在蓝宝石衬底上形成基础GaN缓冲结构；步骤S2、在MOCVD腔体内进行高温低压处理形成GaN结晶；步骤S3、在MOCVD腔体内进行退火后，利用高温形成GaN的侧向和纵向生长，完成聚合填平过程；步骤S4、利用MOCVD设备，在聚合填平基础上继续生长Si掺杂的N型GaN基LED；步骤S5、在MOCVD腔体内继续进行高低温度交错生长多量子层，形成低温InGaN结构以及高温AlGaN结构交错重复生长，得到多层次交替的发光区结构，形成电子和空穴高效复合区域；步骤S6、利用MOCVD设备，在交错生长的多量子层上继续生长Mg掺杂P型GaN基LED。本发明能够有效提高对电子过量跃迁，达到更高的发光效率。
技术研发人员：刘恒山;张晓庆;黄旭
受保护的技术使用者：福建兆元光电有限公司
技术研发日：2020.01.20
技术公布日：2020.06.09
