[发明专利]一种LED外延片生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED外延片的生长方法。 

背景技术

半导体照明技术是继白炽灯、荧光灯之后，照明光源的又一次革命。半导体照明技术发展迅速、应用领域广、节能潜力大、绿色环保，被公认为是最有发展前景的高技术节能产业之一，而半导体照明的核心就是LED芯片。普通白炽灯的光效为15lm/W，而目前照明用LED灯的光效已可达到100lm/W以上，即6瓦的LED灯就可以代替40瓦的白炽灯。LED代替传统照明已表现出明显的节能优势，持续提高LED灯的发光效率，即在额定驱动电流时，减小电压和提高发光亮度，能更有效的降低能源消耗。提高LED的发光效率的一个方法就是优化外延片的设计，提高载流子的发光复合效率。 

目前存在传统的外延片的生长方法，其通过对量子阱和P型层生长方法的设计，进而提高光效和亮度，例如，通过将量子阱设计成阶梯量子阱、改变电子和空穴波函数的重合度，以及P层生长PAlGaN/PInGaN、PAlGaN/PGaN、PAlGaN/GaN等超晶格的结构来提高电流的扩展能力，从而达到提高亮度的目的。 

传统的LED外延片生长方法，包括以下步骤： 

1）在1100-1200℃的氢气气氛下，高温处理蓝宝石衬底5-6分钟； 

2）降温至530-570℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温GaN缓冲层； 

3）升高温度到1000-1100℃下，持续生长1-2.5μm不掺杂的GaN层； 

4）然后首先生长1-1.5μm掺杂Si的N型GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3，接着生长0.8-1.0μm的N型掺杂Si的GaN层，掺 杂浓度为3×10¹⁸-10×10¹⁸cm^-3，再持续生长0.07-0.28μm的N型掺杂Si的GaN层，掺杂浓度为3×1018-9×1018cm^-3，总厚度控制在2.0-2.5μm； 

5）周期性生长有缘层MQW，低温750℃生长厚度为2-3nm的掺杂In的In_xGa_(1-x)N（x=0.20-0.21）层而高温840℃生长厚度为10-13nm的GaN层，其中In_xGa_（1-x）N/GaN周期数为5-15； 

6）再升高温度到930-950℃，持续生长30-50nm的P型AlGaN层； 

7）再升高温度到950-980℃，持续生长0.15-0.3μm的掺杂Mg的P型GaN层； 

8）最后降温至670-680℃，恒温10-30min，接着降至室温。 

图1显示了一种传统的LED外延片，其结构依次包括衬底、低温GaN缓冲层、U型GaN层（其为不掺杂Si的GaN层)、N型GaN层、量子阱MQW（其为发光层量子阱）、低温P型GaN层（其为低温掺杂Mg的GaN层）、P型AlGaN层（其为掺杂Mg、Al型GaN层）和高温P型GaN层。 

然而该生长方法存在突出的缺点。例如，采用持续生长掺杂Si的GaN层，由于掺杂剂Si的用量过多。并且，传统生长的N型GaN层，因为掺杂Si浓度一样，每一处的电阻值是相同的。这使得电子运输过程中选择最短路径传输，在最短路径上将会出现电流拥挤的现象。同时，整个外延层电流分布不均匀，流经量子阱的电流比较集中，造成的后果是，芯片的电压较高，光效偏低。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED外延片的生长方法。该方法通过生长掺杂Si的GaN层和不掺杂Si的GaN层的交替结构，进而改变N型电流横向扩展能力，解决电流拥挤现象，降低驱动电压，从而使得量子阱电流均匀化，总体发光面积增加，使亮度和光效得到有效提升。 

根据本发明提供的一种LED外延片生长方法，在衬底上，依次包括生长低温GaN缓冲层，生长不掺杂Si的GaN层，生长掺杂Si的GaN层，生长量子阱MWQ，生长P型AlGaN层和生长掺杂Mg的P 型GaN层，其中所述生长掺杂Si的GaN层包括以下步骤： 

1）生长掺杂Si的第一N型GaN层； 

2）生长掺杂Si的第二N型GaN层； 

3）生长掺杂Si的第三N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层的交替层。 

在本文中，用语“依次”是相对于沿着从衬底指向整个外延片的顶部方向来定义的，并且相邻的两个部分直接接触。