CN103258930B - 一种GaN LED外延片结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED发光结构，尤其是一种GaN？LED外延片结构及制备方法。一种GaN？LED外延片结构及制备方法，包括GaN？LED外延片结构层，和采用pGaN六角微米柱层（106）作为p型导电层的表面。与传统的平坦表面的LED相比，使用了pGaN六角微米棒技术的LED更高效，由全内反射造成的光损失最小。同时带有pGaN六角微米棒技术的LED性能稳定，电学性能和老化性能同传统平表面LED几乎没有区别。此外，带有pGaN六角微米棒技术的LED与传统平表面LED在制作成本上面也并没有提高。本发明简单紧凑，工艺简单，耐腐蚀，提高了LED器件的发光效率。

Description

一种GaN LED外延片结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种外延片结构及其制备方法，尤其是一种GaNLED外延片结构及制备方法。

背景技术

三族氮化物半导体具有纤锌矿结构和直接带隙的能带结构，适合做发光二极管。氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）、氮化铟（InN）带隙能量分别是6.2ev，3.4ev，0.7ev，因此，室温下AlGaInN带隙能量可以从6.2ev至0.7ev之间调制，取决于Al、Ga、In各占的摩尔组分。理论上可以用AlGaInN材料制作从红色到紫外光的发光二极管。自上世纪90年代以来，三族氮化物材料制作的红外至紫外光电器件已经在学术界和产业界引起了极大的兴趣，特别是高亮度的发光二极管带来了非常高的商用价值。

因为GaN(n=2.5)和空气(n=1.0)之间存在折射率的差别，在半导体和空气界面处发生了全反射，即使传统平表面可见光LED中能够逃逸出有源区的光的临界角为约23％。特别是对于紫外线LED来说，GaN材料本身或者衬底（如Si或SiC）对紫外光存在吸收，这样一来紫外LED的外部量子效率将远低于可见光LED。为了解决外部量子效率低的问题，多组研究团队已经提出了几种方法来提高外部光提取效率，器件表面的微观粗化：化学腐蚀、纳米尺度的化学蚀刻(参考M.S.Minsky等人1996年在Appl.Phys.Lett.Volume68,1531–1533发表的Room-temperaturephotoenhancedwetetchingofGaN)、表面电化学处理(参考K.Kim,J.等人2007年在Appl.Phys.Lett.Volume90，181912，发表的AnodicnanoclustersofGaN)、使用无机或者有机的掩模做ICP选择地蚀刻(参考W.Y.Fu等人2009年在Appl.Phys.Lett.Volume95,133125,发表的Close-packedhemiellipsoidarrays:Aphotonicbandgapstructurepatternedbynanospherelithography)、自组装胶体粒子、微相分离等，还有在图形化蓝宝石基板上生长改善外部光提取。存在缺点：蚀刻制造过程环境不友好，制造成本高(参考ManshikPark等人2011年在J.CrystalGrowthvolume326,28–32,发表的StudyonphotoluminescenceofGaN-basedUV-LEDswithrefractiveindexgradientpolymericnanopatterns)，某些种类的沉积表面粗糙化不适合的波长小于385nm的紫外线发光二极管(参考S.C.Huang等人2009年在J.CrystalGrowthvolume311,867–870,发表的Improvedoutputpowerof400-nmInGaN/AlGaNLEDsusinganovelsurfacerougheningtechnique)，虽然表面粗糙度增加，外部光提取也并不是很高，近紫外LED很难超过35%以上。

发明内容

为解决上述问题，本发明一种带有pGaN六角微米棒技术的LED结构及制备方法，其结构简单紧凑。可以克服传统平表面LED中能够逃逸出有源区的光的临界角较小，外量子效率较低的缺点。通过减少内部全反射造成的光损失，提高了外量子效率，进而提高亮度。

为实现上述目的，本发明提供一种带有pGaN六角微米柱的GaNLED外延片结构，包括GaNLED外延片结构层，和采用pGaN六角微米柱层（106）作为p型导电层的表面。

所述GaNLED外延片结构层包括生长于缓冲层（102）上的非掺杂GaN层（103），非掺杂GaN层（103）上生长有N型氮化镓层（104），N型氮化镓层（104）上生长有多量子阱层（11），多量子阱层（11）上生长有P型氮化铝层（105），P型氮化铝层（105）上生长有P型六角微米柱层（106）。

所述pGaN六角微米柱(106)生长在高Al组分的p型AlGaN层（105）表面，六角微米柱的直径为1~6μm，高度50~500nm。

所述GaNLED外延片结构层的多量子阱层（11）中In的摩尔浓度范围为0.001~0.3。

所述p型AlGaN层（105）厚度为10~100nm，Al的摩尔浓度为0.2~0.35。

所述缓冲层（102）的厚度为10nm~100nm；缓冲层（102）为GaN层、AlN缓冲层、AlxGa1-xN层、InxGa1-xN层或AlxInyGa1-x-yN层；其中，x为0.01~0.99，y为0.01~0.99。

一种带有pGaN六角微米柱的GaNLED外延片结构制备方法包括如下步骤：

（a）、提供衬底（101），并将所述衬底（101）在1050℃~1250℃的H2氛围下高温净化5~10分钟；

（b）、在H2氛围下将上述高温净化后的衬底（101）降温至500℃~600℃，并利用MOCVD工艺在衬底（101）上生长缓冲层（102）；

（c）、在上述缓冲层（102）上通过MOCVD工艺生长GaNLED外延片结构层。

所述的带有pGaN六角微米柱的GaNLED外延片结构制备方法，包括如下步骤：

所述GaNLED外延片结构层生长过程如下：

（c1）、将生长有缓冲层（102）的衬底（101）环境温度升至1000℃~1200℃，并在缓冲层（102）上生长非掺杂GaN层（103）；

（c2）、在上述衬底（101）上生长N型氮化镓层（104），所述N型氮化镓层（104）覆盖于非掺杂GaN层（103）；

（c3）、在上述衬底（101）放置于N2氛围下并使温度为740℃~860℃，以在N型氮化镓层（104）上生长5~15个周期结构的量子阱层，以形成多量子阱层（11）；

（c4）、将上述衬底（101）再次放置于H2氛围下并使温度为750℃~1000℃，在多量子阱层（11）上生长P型氮化铝层（105）；

（c5）、在上述P型氮化铝层（105）上生长P型六角微米柱层（106）。

使用本发明效果明显，AlGaN的LED使用了pGaN六角微米棒技术改进的光输出。与传统的平坦表面的LED相比，使用了pGaN六角微米棒技术的LED更高效，由全内反射造成的光损失最小。在350mA电流的驱动下，使用pGaN六角微米棒技术的LED（峰值波长370nm附近）比传统平表面的LED（峰值波长370nm附近）的光输出功率高88％。同时带有pGaN六角微米棒技术的LED性能稳定，电学性能和老化性能同传统平表面LED几乎没有区别。此外，带有pGaN六角微米棒技术的LED与传统平表面LED在制作成本上面也并没有提高。带有pGaN六角微米柱层的GaNLED工艺步骤简单方便，能大大提高GaNLED光提取效率，同时结构简单紧凑，工艺简单，耐腐蚀，提高了LED器件的发光效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中11-多量子阱层、101-衬底、102-缓冲层、103-非掺杂GaN层、104-N型氮化镓层、105-P型氮化铝层、106-P型六角微米柱层。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示：为了能够使得LED结构能够具有较好的光提取效率，提高LED的光输出功率，本发明包括GaNLED外延片结构层和P型六角微米柱层106。其中，P型六角微米柱层106位于GaNLED外延片结构层的顶部，在结束完p型AlGaN层105的生长之后生长。而全部GaNLED外延片结构生长于衬底101层之上，为了能够使得衬底101上能够生长GaNLED外延片结构层，衬底101上生长有缓冲层102，所述GaNLED外延片结构层生长于缓冲层102上。

所述衬底101的厚度为50mm~300mm，衬底101的晶相为<001>、<111>、<110>的单晶层，可以选用蓝宝石、Si、SiC和GaN。

所述缓冲层102的厚度为10nm~100nm；缓冲层102为GaN层、AlN缓冲层、AlxGa1-xN层、InxGa1-xN层或AlxInyGa1-x-yN层；其中，x为0.01~0.99，y为0.01~0.99。

所述GaNLED外延片结构层包括生长于缓冲层102上的非掺杂GaN层103、所述非掺杂GaN层103上生长有N型氮化镓层104，所述N型氮化镓层104上生长有多量子阱层11，所述多量子阱层11上生长有P型氮化铝层105(P型AlxGa1-XN,x范围是0.2~0.35)，所述P型氮化铝层105上生长有P型六角微米柱层106。所述非掺杂GaN层103的厚度为500~2000nm。

实施例2

如图1所示：上述基于衬底101的GaN外延片结构可以通过下述工艺制备，整个工艺过程采用金属有机物化学气相沉积法（MOCVD，MetalorganicChemicalVaporDeposition）生长工艺，衬底101选用<001>晶相的蓝宝石PSS衬底101，金属有机源和氮源分别是三甲基镓（TMGa）、三甲基铟（TMIn）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）和氨气（NH3），n型掺杂剂为200ppm的H2携载的硅烷（SiH4），p型掺杂剂为二茂镁（Cp2Mg）；所述MOCVD的工艺条件均为本技术领域人员所熟知，具体为：

a、提供衬底101，并将所述衬底101在1050℃~1250℃的H2氛围下高温净化5~10分钟；

b、在H2氛围下将上述高温净化后的衬底101降温至500℃~600℃，并利用MOCVD工艺在衬底101上缓冲层102；

c、在上述缓冲层102上通过MOCVD工艺生长GaNLED结构层。

由于GaNLED结构层的制备过程与现有采用蓝宝石衬底101生长获得GaNLED结构层的步骤及条件一致，本发明实施例通过下述步骤介绍相应的步骤，整个GaNLED结构层的详细制备过程为本技术领域人员所熟知；具体地包括：

c1、在H2氛围下，将生长有缓冲层102的衬底101环境温度升至1000℃~1200℃，并在缓冲层102上生长非掺杂GaN层103；

c2、在上述衬底101上生长N型氮化镓层104，所述N型氮化镓层104覆盖于非掺杂GaN层103；

c3、在上述衬底101放置于N2氛围下并使温度为740℃~860℃，以在N型氮化镓层104上生长5~15个周期结构的量子阱层，以形成多量子阱层11；

c4、将上述陶瓷衬底101再次放置于H2氛围下并使温度为750℃~1000℃，在多量子阱层11上生长P型氮化铝层105(P型AlxGa1-XN,x范围是0.2~0.35)；

c5、在上述P型氮化铝层105(P型AlxGa1-XN,x范围是0.2~0.35)上生长P型氮化镓六角微米柱层106。

当通过步骤c获得GaNLED外延片结构层后，如果需要制备相应的LED时，只需要通过常规LED电极制备工艺在GaNLED外延片结构层上制备出P电极与N电极即可。

实施例3

下面通过几个具体的实施例来说明本发明基于衬底101的GaN外延片结构制备过程。

本发明采用MOCVD工艺制备，步骤1、将<001>晶相的PSS蓝宝石衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050℃，稳定10分钟，对衬底101进行高温净化；步骤2、生长20nm厚度的低温GaN基层，以作为生长于衬底101的缓冲层102；步骤3、在缓冲层102上生长1mm厚度的非掺杂GaN层103；步骤4、生长1.5mm厚度的N型氮化镓层104；步骤5、在N2环境中生长得到12个周期的多量子阱层11，所述多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nmIn，GaN阱层厚度为1.6nm；步骤6、生长40nm厚度的P型Al0.3Ga0.75N层，得到P型氮化铝层105；步骤7、生长150nm厚度的P型六角微米柱层106；步骤8、降温至室温，生长结束。

实施例4

采用MOCVD工艺制备，步骤1、将<001>晶相的平片蓝宝石衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050℃，稳定10分钟，对衬底101进行高温净化；步骤2、生长20nm厚度的低温Al0.2Ga0.8N基层，以形成缓冲层102；步骤3、生长1mm厚度的非掺杂GaN层103；步骤4、生长1.5mm厚度的N型氮化镓层104；步骤5、在N2环境中生长得到8个周期的量子阱层，得到多量子阱层11，所述多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nm，InGaN阱层厚度为1.6nm；步骤6、生长30nm厚度的p-Al0.2Ga0.85N层，得到P型氮化铝层105；步骤7、生长150nm厚度的P型六角微米柱层106；步骤8、降温至室温，生长结束。

实施例5

采用MOCVD工艺制备，步骤1、将<001>晶相的平片SiC衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050℃，稳定10分钟，对衬底101进行高温净化；步骤2、生长20nm厚度的低温AlN基层，以形成缓冲层102；步骤3、生长1mm厚度的非掺杂GaN层103；步骤4、生长1.5mm厚度的N型氮化镓层104；步骤5、在N2环境中生长得到10个周期的量子阱层，得到多量子阱层11，所述多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nm，InGaN阱层厚度为1.6nm；步骤6、生长50nm厚度的p-Al0.25Ga0.85N层，得到P型氮化铝层105；步骤7、生长150nm厚度的P型六角微米柱层106；步骤8、降温至室温，生长结束。

实施例6

采用MOCVD工艺制备，步骤1、将<001>晶相的平片GaN衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050℃，稳定10分钟，对衬底101进行高温净化；步骤2、生长1mm厚度的非掺杂GaN层103；步骤3、生长1.5mm厚度的N型氮化镓层104；步骤4、在N2环境中生长得到15个周期的量子阱层，得到多量子阱层11，所述多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nm，InGaN阱层厚度为1.6nm；步骤5、生长20nm厚度的p-Al0.25Ga0.85N层，得到P型氮化铝层105；步骤6、生长150nm厚度的P型六角微米柱层106；步骤7、降温至室温，生长结束。

发明首先通过MOCVD常规工艺制备得到GaNLED外延片结构层，在pAlGaN电子阻挡层生长完之后，利用在高Al浓度的pAlGaN与GaN的界面处存在的六角形和六棱锥镜面()、()等缺陷继续生长p-GaN生长六角微米柱。带有pGaN六角微米柱层的GaNLED工艺步骤简单方便，能大大提高GaNLED光提取效率，同时结构简单紧凑，工艺简单，耐腐蚀，提高了LED器件的发光效率。

Claims (1)

1.一种带有pGaN六角微米柱的GaNLED外延片结构，其特征是：包括GaNLED外延片结构层，和采用pGaN六角微米柱层(106)作为p型导电层的表面；

所述GaNLED外延片结构层包括生长于缓冲层(102)上的非掺杂GaN层(103)，非掺杂GaN层(103)上生长有N型氮化镓层(104)，N型氮化镓层(104)上生长有多量子阱层(11)，多量子阱层(11)上生长有P型AlGaN层(105)，P型AlGaN层(105)上生长有pGaN六角微米柱层(106)；

所述pGaN六角微米柱层(106)生长在高Al组分的p型AlGaN层(105)表面，六角微米柱的直径为1～6μm，高度50～500nm；

p型AlGaN层(105)厚度为10～100nm，Al的摩尔浓度为0.2～0.35；

所述GaNLED外延片结构层的多量子阱层(11)中In的摩尔浓度范围为0.001～0.3；

所述缓冲层(102)的厚度为10nm～100nm；缓冲层(102)为GaN层、AlN缓冲层、AlxGa1-xN层、InxGa1-xN层或AlxInyGa1-x-yN层；其中，x为0.01～0.99，y为0.01～0.99。