阅读说明：本技术 一种降低接触电阻的led外延结构及其生长方法 (LED epitaxial structure capable of reducing contact resistance and growth method thereof ) 是由 冯磊 徐平 黄胜蓝 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种降低接触电阻的LED外延结构,包括基板及依次层叠设置在基板上的低温GaN缓冲层、不掺杂Si的GaN层、掺杂Si的GaN层、发光层、掺杂Mg的Al型GaN层、掺杂Mg的GaN层、接触层以及ITO层,在ITO层上设置P电极,在掺杂Si的GaN层上设置N电极；接触层包括至少一层接触单层,所述接触单层由掺杂In和Mg的GaN层以及掺杂Mg的GaN层构成。本发明的LED外延结构中由掺杂In和Mg的GaN层以及掺杂Mg的GaN层构成接触层位于掺杂Mg的GaN层和ITO层之间,它和ITO接触功函数比pGaN和ITO接触功函数要低很多,独特结构的接触层能有效降低pGaN外延层和ITO的接触电阻,有效地降低驱动电压,从而提高产品的光效品质。本发明还公开一种上述LED外延结构的生长方法,工艺精简,便于工业化生产。(The invention provides an LED epitaxial structure capable of reducing contact resistance, which comprises a substrate, and a low-temperature GaN buffer layer, a GaN layer without doped Si, a GaN layer doped with Si, a light emitting layer, an Al-type GaN layer doped with Mg, a contact layer and an ITO layer which are sequentially stacked on the substrate, wherein a P electrode is arranged on the ITO layer, and an N electrode is arranged on the GaN layer doped with Si; the contact layer includes at least one contact monolayer composed of an In-and Mg-doped GaN layer and an Mg-doped GaN layer. The contact layer formed by the GaN layer doped with In and Mg and the GaN layer doped with Mg In the LED epitaxial structure is positioned between the GaN layer doped with Mg and the ITO layer, the contact work function of the contact layer with ITO is much lower than that of pGaN and ITO, the contact resistance of the pGaN epitaxial layer and ITO can be effectively reduced by the contact layer with the unique structure, the driving voltage is effectively reduced, and the light effect quality of the product is improved. The invention also discloses a growth method of the LED epitaxial structure, which is simple in process and convenient for industrial production.)

一种降低接触电阻的LED外延结构及其生长方法

技术领域

本发明涉及LED技术领域，特别地，涉及一种降低接触电阻的LED外延结构及其生长方法。

背景技术

LED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；市场需求产品品质越来越高，客户关注的是LED更省电，亮度更高、光效更好，这就为LED外延生长提出了更高的要求。

大功率器件驱动电压和亮度要求是目前市场需求的重点，LED传统的外延生长方法中P层和ITO直接接触，两者的接触功函数很大，从而导致接触电阻大、LED驱动电压高，产品光效品质受到影响。

因此，设计一种降低接触电阻的LED外延结构及其生长方法具有重要意义。

发明内容

本发明公开一种降低接触电阻的LED外延结构，以解决现有技术中因P层和ITO直接接触而导致接触电阻大、LED驱动电压高的技术问题，具体技术方案是：

一种降低接触电阻的LED外延结构，包括基板以及依次层叠设置在基板上的低温GaN缓冲层、不掺杂Si的GaN层、掺杂Si的GaN层、发光层、掺杂Mg的Al型GaN层、掺杂Mg的GaN层、接触层以及ITO层，在ITO层上设置P电极，在掺杂Si的GaN层上设置N电极；

所述接触层包括至少一层接触单层，所述接触单层由掺杂In和Mg的GaN层以及掺杂Mg的GaN层构成。

以上技术方案中优选的，所述接触单层由所述掺杂In和Mg的GaN层以及所述掺杂Mg的GaN层顺次层叠而成，所述掺杂In和Mg的GaN层与掺杂Mg的GaN层相接触；

或者是，所述接触单层由所述掺杂Mg的GaN层以及所述掺杂In和Mg的GaN层顺次层叠而成，所述掺杂Mg的GaN层与掺杂Mg的GaN层相接触。

以上技术方案中优选的，所述接触层包括依次层叠设置的4-60层所述接触单层。

以上技术方案中优选的，所述基板为蓝宝石基板；所述低温GaN缓冲层的厚度为20-40nm；所述不掺杂SI的GaN层的厚度为2-4μm；所述掺杂Si的GaN层的厚度为200-400nm；所述发光层为7-15个层叠设置的发光单层，所述发光单层由2.5-3.5nm的In_xGa_(1-x)N层和8-15nm的GaN层组成，x＝0.20-0.25；所述掺杂Mg的Al型GaN层的厚度为50-100nm；所述掺杂Mg的GaN层的厚度为50-100nm。

本发明的LED外延结构中由掺杂In和Mg的GaN层以及掺杂Mg的GaN层构成接触层位于掺杂Mg的GaN层和ITO层之间，它和ITO接触功函数比pGaN和ITO接触功函数要低很多，独特结构的接触层能有效降低pGaN外延层和ITO的接触电阻，有效地降低驱动电压，从而提高产品的光效品质。

本发明开公开一种上述LED外延结构的生长方法，具体包括生长掺杂Mg的GaN层以及生长接触层；

生长掺杂Mg的GaN层具体是：保持反应腔压力为400-900mbar、温度为950℃-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、1000-3000sccm的Cp₂Mg，持续生长50-100nm的掺杂Mg的GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1E19-1E20；

生长接触层包括生长掺杂In和Mg的GaN层以及掺杂Mg的GaN层；生长掺杂In和Mg的GaN层具体是：保持反应腔压力为300-600mbar、温度为750-850℃，通入10-20sccm的TMGa、100-130L/min的N₂、5000-7000sccm的Cp₂Mg以及1000-2000sccm的TMIn，生长1-2nm的掺杂In和Mg的GaN层；生长掺杂Mg的GaN层具体是：保持反应腔压力为300-600mbar、温度为750℃-850℃，通入10-20sccm的TMGa、100-130L/min的N₂以及5000-7000sccm的Cp₂Mg，生长1-2nm的掺杂Mg的GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1E21-5E21。

以上技术方案中优选的，还包括基板的处理、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、生长发光层、生长掺杂Mg的Al型GaN层、制作ITO层、在ITO层上制作P电极以及在掺杂Si的GaN层上制作N电极；

基板的处理具体是：在1000℃-1100℃的氢气气氛下，通入100L/min-130L/min的H₂，保持反应腔压力为100-300mbar，处理蓝宝石基板8-10分钟；

生长低温GaN缓冲层具体是：降温至500℃-600℃，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的NH₃、50-100sccm的TMGa以及100L/min-130L/min的H₂，在蓝宝石基板上生长厚度为20-40nm的低温GaN缓冲层；

生长不掺杂Si的GaN层具体是：升高温度到1000℃-1200℃，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa以及100-130L/min的H₂，持续生长2-4μm的不掺杂Si的GaN层；

生长掺杂Si的GaN层具体是：保持温度为1000℃-1200℃以及反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-60000sccm的NH₃、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H₂以及20-50sccm的SiH₄，持续生长3-4μm的掺杂Si的GaN层，其中Si的掺杂浓度5E18 atoms/cm³-1E19atoms/cm³；

生长发光层包括重复生长7-15个发光单层，生长所述发光单层包括生长In_xGa_(1-x)N层和生长GaN层；生长InxGa(1-x)N层具体是：保持反应腔压力为300-400mbar和温度为700℃-750℃，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn以及100-130L/min的N₂，生长2.5-3.5nm的In_xGa_(1-x)N层，x＝0.20-0.25，发光波长为450-455nm；生长GaN层具体是：升高温度至750℃-850℃，保持反应腔压力为300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、20-100sccm的TMGa以及100-130L/min的N₂，生长8-15nm的GaN层；

生长掺杂Mg的Al型GaN层具体是：保持反应腔压力为200-400mbar和温度为900℃-950℃，通入流量为50000-70000sccm的NH₃、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H₂、100-130sccm的TMAl以及1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的掺杂Mg的Al型GaN层，其中：Al的掺杂浓度为1E20-3E20，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20。

应用本发明的生长方法，步骤精简，参数容易控制，能采用现有的外延制作设备进行，利于工业化生产，且最终获得的产品电压有所下降，光效有所提升，产品品质变好。

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。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1中LED外延结构的示意图；

图2是对比例中LED外延结构的示意图；

其中：1、基板，2、低温GaN缓冲层，3、不掺杂Si的GaN层，4、掺杂Si的GaN层，5、发光层，5a、In_xGa_(1-x)N层，5b、GaN层，6、掺杂Mg的Al型GaN层，7、掺杂Mg的GaN层，8、接触层，8a、掺杂In和Mg的GaN层，8b、掺杂Mg的GaN层，9、ITO层，10、保护层，11、P电极，12、N电极。

具体实施方式

以下结合附图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：

一种降低接触电阻的LED外延结构，详见图1，具体包括基板1以及依次层叠设置在基板1上的低温GaN缓冲层2、不掺杂Si的GaN层3、掺杂Si的GaN层4、发光层5、掺杂Mg的Al型GaN层6、掺杂Mg的GaN层7、接触层8以及ITO层9，在ITO层9上设置P电极11，在掺杂Si的GaN层4上设置N电极12。

本实施例中所述接触层8包括至少一层接触单层(优选四层)，所述接触单层由掺杂In和Mg的GaN层以及掺杂Mg的GaN层构成。此处优选所述接触单层由所述掺杂Mg的GaN层8b以及所述掺杂In和Mg的GaN层8a顺次层叠而成，所述掺杂Mg的GaN层8b与掺杂Mg的GaN层7相接触，详见图1。

上述降低接触电阻的LED外延结构的生长方法，详情如下：

本发明运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯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N源，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(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP₂Mg)，反应压力在70mbar到900mbar之间。该生长方法包括以下步骤(具体工艺参数选择见表1)：

第一步、基板1的处理，具体是：在1000℃的氢气气氛下，通入120L/min的H₂，保持反应腔压力为300mbar(气压单位)，处理蓝宝石基板10分钟；

第二步、生长低温GaN缓冲层2，具体是：降温至600℃，保持反应腔压力为300mbar，通入流量为20000sccm(sccm为毫升每分钟)的NH₃、100sccm的TMGa以及130L/min的H₂，在蓝宝石基板上生长厚度为40nm的低温GaN缓冲层2；

第三步、生长不掺杂Si的GaN层3，具体是：升高温度到1200℃，保持反应腔压力为300mbar，通入流量为30000sccm的NH₃、200sccm的TMGa以及100L/min的H₂，持续生长3μm的不掺杂Si的GaN层3；

第四步、生长掺杂Si的GaN层4，具体是：保持温度为1200℃以及反应腔压力为300mbar，通入流量为50000sccm的NH₃、300sccm的TMGa、130L/min的H₂以及50sccm的SiH₄，持续生长4μm的掺杂Si的GaN层4，其中Si的掺杂浓度5E18 atoms/cm³；本发明中1E19代表10的19次方也就是10¹⁹，其他以此类推。

第五步、生长发光层5，具体包括重复生长7-15个发光单层(优选8个)，生长所述发光单层包括生长In_xGa_(1-x)N层5a和生长GaN层5b；

生长InxGa(1-x)N层5a具体是：保持反应腔压力为300mbar和温度为700℃，通入流量为50000sccm的NH₃、20sccm的TMGa、1500sccm的TMIn以及130L/min的N₂，生长3.5nm的In_xGa_(1-x)N层5a，x＝0.20，发光波长450nm；

生长GaN层5b具体是：升高温度至750℃，保持反应腔压力为300mbar，通入流量为50000sccm的NH₃、100sccm的TMGa以及130L/min的N₂，生长15nm的GaN层5b；

第六步、生长掺杂Mg的Al型GaN层6，具体是：保持反应腔压力为300mbar和温度为950℃，通入流量为60000sccm的NH₃、60sccm的TMGa、130L/min的H₂、120sccm的TMAl以及1300sccm的Cp2Mg，持续生长100nm的掺杂Mg的Al型GaN层6，其中：Al的掺杂浓度为2E20，Mg的掺杂浓度为1E20。

第七步、生长掺杂Mg的GaN层7，具体是：保持反应腔压力为600mbar、温度为1000℃，通入流量为60000sccm的NH₃、100sccm的TMGa、130L/min的H₂、2000sccm的Cp₂Mg，持续生长100nm的掺杂Mg的GaN层7，其中Mg的掺杂浓度为1E20；

第八步、生长接触层8，所述接触层8包括多层接触单层，生长所述接触单层具体包括生长掺杂In和Mg的GaN层8a以及掺杂Mg的GaN层8b；

生长掺杂In和Mg的GaN层8a具体是：保持反应腔压力为600mbar、温度为850℃，通入流量为60000sccm的NH₃、20sccm的TMGa、130L/min的N₂、6000sccm的Cp₂Mg以及2000sccm的TMIn，生长2nm的掺杂In和Mg的GaN层8a；

生长掺杂Mg的GaN层8b具体是：保持反应腔压力为600mbar、温度为850℃，通入流量为60000sccm的NH₃、20sccm的TMGa、130L/min的N₂以及7000sccm的Cp₂Mg，生长2nm的掺杂Mg的GaN层8b，其中Mg的掺杂浓度为5E21；

第九步、降温至650℃-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却，得到样品1。

实施例2

与实施例1不同之处在于：所述接触单层由所述掺杂In和Mg的GaN层以及所述掺杂Mg的GaN层顺次层叠而成，所述掺杂In和Mg的GaN层与掺杂Mg的GaN层7相接触。得到样品2。

实施例3-10：

实施例3和实施例1不同之处在于：所述接触层8包括八层接触单层；

实施例4和实施例2不同之处在于：所述接触层8包括八层接触单层；

实施例5和实施例1不同之处在于：所述接触层8包括十二层接触单层；

实施例6和实施例2不同之处在于：所述接触层8包括十二层接触单层

实施例7和实施例1不同之处在于：所述接触层8包括三十层接触单层；

实施例8和实施例2不同之处在于：所述接触层8包括三十层接触单层；

实施例9和实施例1不同之处在于：所述接触层8包括六十层接触单层；

实施例10和实施例2不同之处在于：所述接触层8包括六十层接触单层。

实施例3-10得到样品3-10。

对比例

一种LED外延结构，详见图2，具体包括基板1以及依次层叠设置在基板1上的低温GaN缓冲层2、不掺杂Si的GaN层3、掺杂Si的GaN层4、发光层5、掺杂Mg的Al型GaN层6、掺杂Mg的GaN层7以及ITO层9，在ITO层9上设置P电极11，在掺杂Si的GaN层4上设置N电极12。

上述降低接触电阻的LED外延结构的生长方法，详情如下(具体参数详见表1)：

第一步、基板1的处理，具体是：在1000℃的氢气气氛下，通入120L/min的H₂，保持反应腔压力为300mbar(气压单位)，处理蓝宝石基板10分钟；

第二步、生长低温GaN缓冲层2，具体是：降温至600℃，保持反应腔压力为300mbar，通入流量为20000sccm(sccm为毫升每分钟)的NH₃、100sccm的TMGa以及130L/min的H₂，在蓝宝石基板上生长厚度为40nm的低温GaN缓冲层2；

第三步、生长不掺杂Si的GaN层3，具体是：升高温度到1200℃，保持反应腔压力为300mbar，通入流量为30000sccm的NH₃、200sccm的TMGa以及100L/min的H₂，持续生长3μm的不掺杂Si的GaN层3；

第四步、生长掺杂Si的GaN层4，具体是：保持温度为1200℃以及反应腔压力为300mbar，通入流量为50000sccm的NH₃、300sccm的TMGa、130L/min的H₂以及50sccm的SiH₄，持续生长4μm的掺杂Si的GaN层4，其中Si的掺杂浓度5E18 atoms/cm³；本发明中1E19代表10的19次方也就是10¹⁹，其他以此类推。

第五步、生长发光层5，具体包括重复生长7-15个发光单层(优选8个)，生长所述发光单层包括生长In_xGa_(1-x)N层5a和生长GaN层5b；x取值0.8；

生长InxGa(1-x)N层5a具体是：保持反应腔压力为300mbar和温度为700℃，通入流量为50000sccm的NH₃、20sccm的TMGa、1500sccm的TMIn以及130L/min的N₂，生长3.5nm的In_xGa_(1-x)N层5a，x＝0.20，发光波长450nm；

生长GaN层5b具体是：升高温度至750℃，保持反应腔压力为300mbar，通入流量为50000sccm的NH₃、100sccm的TMGa以及130L/min的N₂，生长15nm的GaN层5b；

第六步、生长掺杂Mg的Al型GaN层6，具体是：保持反应腔压力为300mbar和温度为950℃，通入流量为60000sccm的NH₃、60sccm的TMGa、130L/min的H₂、120sccm的TMAl以及1300sccm的Cp₂Mg，持续生长100nm的掺杂Mg的Al型GaN层6，其中：Al的掺杂浓度为2E20，Mg的掺杂浓度为1E20。

第七步、生长掺杂Mg的GaN层7，具体是：保持反应腔压力为600mbar、温度为1000℃，通入流量为60000sccm的NH₃、100sccm的TMGa、130L/min的H₂、2000sccm的Cp₂Mg，持续生长100nm的掺杂Mg的GaN层7，其中Mg的掺杂浓度为1E20；

第八步、降温至650℃，保温30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却，得到对比样品。

将样品1-10以及对比样品在相同的工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500nm，相同的条件下镀保护层SiO₂约100nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成635μm*635μm(25mil*25mil)的芯片颗粒，然后样品1-10和对比样品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。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1-10和对比样品的光电性能，详见表2。

表1实施例1和对比例的部分生长参数对比表

表2样品1-10及对比样品的电性参数的比较表

根据表2可知：采用本发明方案所得产品(实施例1-10所得样品1-10)和对比例比较，本发明结构的LEN外延结构，与ITO接触电阻下降，从而使得LED电压下降约0.1V，光效提升约5％，产品品质变好。

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。