一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，具體為一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。GaN基LED外延結(jié)構(gòu)包括在襯底上依次層疊的自組裝GaN納米棒、非故意摻雜的GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層、P型GaN層、P型GaN接觸層。本發(fā)明在襯底和GaN層之間自組裝生長(zhǎng)GaN納米柱，形成了底部具有納米柱的外延片，一方面納米柱能夠減少由于晶格失配引起的位錯(cuò)、V形坑等缺陷，提高外延片的晶體質(zhì)量，另一方面納米柱結(jié)構(gòu)可以看作是表面粗化層能夠減少全內(nèi)反射，提高光的出光效率。因此，底部具有GaN納米柱的LED外延結(jié)構(gòu)能夠提高LED器件的光電性能。
【專利說明】
一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，具體為一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Light Emitting D1de，LED)具有高亮度、低能耗、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)速度快及環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)及路燈照明、交通信號(hào)以及戶外顯示、汽車車燈照明、液晶背光源等多個(gè)領(lǐng)域。
[0003]目前藍(lán)光GaN基LED的內(nèi)量子效率可達(dá)80%以上，但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40%左右。制約外量子效率提高的主要因素是GaN界面與空氣界面發(fā)生全內(nèi)反射造成光的提取效率較低，這是因?yàn)镚aN材料的折射率2.5，空氣的折射率I，GaN與空氣界面發(fā)生全反射的臨界角是23.6°，即有源區(qū)產(chǎn)生的光只有少數(shù)能夠逃逸出體材料。目前國(guó)內(nèi)外主要采用分布布喇格反射層(DBR)、圖形化襯底(PSS)、表面粗化和光子晶體等技術(shù)來提高芯片的光提取效率。DBR、光子晶體和PSS制作過程對(duì)設(shè)備和工藝要求很高，工藝相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致成本偏高，而表面粗化技術(shù)采用干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝，也存在很大挑戰(zhàn)。新型的一維核殼結(jié)構(gòu)的納米棒在減少外延片中的缺陷密度，提高內(nèi)量子效率方面有很大優(yōu)勢(shì)，但是制備有序的核殼結(jié)構(gòu)納米棒工藝復(fù)雜，難度較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)工藝在提高芯片的光提取效率方面工藝復(fù)雜、成本高的問題，提供了一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0005]本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述LED器件從下向上依次包括襯底、位于襯底上的自組裝GaN納米柱、位于GaN納米柱上的非故意摻雜GaN層、位于非故意摻雜GaN層上的N型GaN層、位于N型GaN層上的多量子阱發(fā)光層、位于多量子阱發(fā)光層上的P型GaN層和位于P型GaN層上的P型GaN接觸層。
[0006]上述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述襯底為藍(lán)寶石、S1、SiC、GaN中的一種。
[0007]上述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述GaN納米柱的高度為500-3000nm，直徑為100-800nm，密度為 107-109cm—20
[0008]上述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述非故意摻雜GaN層為生長(zhǎng)在GaN納米柱上的平整的GaN薄膜。
[0009]上述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
S1:提供襯底并進(jìn)行表面氮化，將襯底在H2氛圍中烘烤10-20min，溫度為1050-1200 °C，隨后通入NH3進(jìn)行氮化，生成AlN薄層，氮化時(shí)間10-50S;
52:通入SiNx和NH3在AlN薄層上生成SiNx薄層，生長(zhǎng)溫度950-1050°C，生長(zhǎng)厚度1-1Onm，SiNx薄層為不連續(xù)的薄膜；
53:通入TMG和NH3在AlN薄層上生長(zhǎng)GaN種子層，N2作為載氣，N2流量為4000-8000sccm，生長(zhǎng)溫度950-1050°C，生長(zhǎng)時(shí)間為10s-50s，V/III比為10-50，GaN種子層優(yōu)先生長(zhǎng)在AlN薄層上不連續(xù)SiNx薄膜和沒有覆蓋SiNx的交匯處，覆蓋SiNx薄膜的位置不會(huì)生長(zhǎng)GaN種子層；
54:通入TMG和NH3在GaN種子層上垂直生長(zhǎng)GaN納米柱，載氣為N2和H2，N2和H2的比例是35:1-50:1，生長(zhǎng)溫度950-1050°C，V/III比為10-50，生長(zhǎng)初始階段通入微量的SiH4，SiHJfi著于納米柱的側(cè)壁，能夠抑制GaN的橫向生長(zhǎng)，有助于GaN的垂直生長(zhǎng)；
55:在GaN納米柱上生長(zhǎng)非故意摻雜GaN層，在非故意摻雜GaN層上生長(zhǎng)N型GaN層，在N型GaN層上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層，在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型GaN層，在P型GaN層上生長(zhǎng)P型GaN接觸層，最后得到GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0010]該GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法可在MOCVD和MBE設(shè)備內(nèi)完成。
[0011]上述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，非故意摻雜GaN層生長(zhǎng)時(shí)采取橫向生長(zhǎng)的方式形成表面平坦的GaN層，生長(zhǎng)厚度為2?4um，生長(zhǎng)溫度為950-1200V，V/III比為500-5000 ο
[0012]本發(fā)明通過以上工藝，形成底部具有GaN納米柱的LED外延結(jié)構(gòu)。一方面納米柱能夠減少由于晶格失配引起的位錯(cuò)、V形坑等缺陷，提尚外延片的晶體質(zhì)量，另一方面納米柱結(jié)構(gòu)可以看作是表面粗化層，能夠減少全內(nèi)反射，提高光的出光效率。因此，底部具有GaN納米柱的LED外延結(jié)構(gòu)能夠提高LED器件的光電性能。
【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中GaN基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明中GaN基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明中GaN基LED外延片制備的LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中:1-襯底，2-GaN納米柱，3_非故意摻雜GaN層，4_N型GaN層，5_多量子阱發(fā)光層，6-P型GaN層，7-N型電極，8-P型電極。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，從下向上依次包括:藍(lán)寶石襯底、GaN成核層、非故意摻雜GaN層、N型GaN層、多量子阱發(fā)光層、P型GaN層和P型GaN接觸層ο
[0019]圖2為本發(fā)明中GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，外延片結(jié)構(gòu)包括襯底，本實(shí)施方式中襯底為藍(lán)寶石襯底，在其他實(shí)施方式中也可以為其他襯底材料，如S1、SiC、GaN等;位于襯底上的自組裝GaN納米柱，GaN納米柱的高度為500-3000nm，直徑為100-800nm，密度為17-109cm—2;位于GaN納米柱上的非故意摻雜GaN層，非故意摻雜GaN層為生長(zhǎng)在GaN納米柱上的平整的GaN薄膜;位于非故意摻雜GaN層上的N型GaN層;位于N型GaN層上多量子阱發(fā)光層;位于多量子阱發(fā)光層上的P型GaN層;位于P型GaN層上的P型GaN接觸層。
[0020]實(shí)施例一:
一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
SI:清潔藍(lán)寶石襯底并進(jìn)行表面氮化，將襯底在出氛圍中烘烤1min，溫度為1050 V，隨后通入Mfe進(jìn)行氮化，生成AlN薄層，氮化時(shí)間1s ； 52:通入SiNx和NH3在AlN薄層上生成SiNx薄層，生長(zhǎng)溫度950°C，生長(zhǎng)厚度Inm，SiNx薄層為不連續(xù)的薄膜；
53:通入TMG和NH3在AlN薄層上生長(zhǎng)GaN種子層，N2作為載氣，N2流量為4000sccm，生長(zhǎng)溫度950°C，生長(zhǎng)時(shí)間為10s，V/III比為10，GaN種子層優(yōu)先生長(zhǎng)在AlN薄層上不連續(xù)SiNx薄膜和沒有覆蓋SiNx薄膜的交匯處，覆蓋SiNx薄膜的位置不會(huì)生長(zhǎng)GaN種子層；
54:通入TMG和NH3在GaN種子層上垂直生長(zhǎng)GaN納米柱，載氣為N2和H2，N2和H2的比例是35:1，生長(zhǎng)溫度950°(:，￥/111比為10，生長(zhǎng)的初始階段通入微量的3丨!14，3丨!14附著于納米柱的偵_，能夠抑制GaN的橫向生長(zhǎng)，有助于GaN的垂直生長(zhǎng)；
55:在GaN納米柱上生長(zhǎng)非故意摻雜GaN層，非故意摻雜GaN層生長(zhǎng)時(shí)采取橫向生長(zhǎng)的方式形成表面平坦的GaN層，生長(zhǎng)厚度為2um，生長(zhǎng)溫度為950 °C，V/II I比為500，在非故意摻雜GaN層上生長(zhǎng)N型GaN層，在N型GaN層上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層，在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型GaN層，在P型GaN層上生長(zhǎng)P型GaN接觸層，最后得到GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0021]實(shí)施例二:
上述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
SI:清潔藍(lán)寶石襯底并進(jìn)行表面氮化，將襯底在出氛圍中烘烤20min，溫度為1200 V，隨后通入Mfe進(jìn)行氮化，生成AlN薄層，氮化時(shí)間50s ；
S2:通入SiNx和NH3在AlN薄層上生成SiNx薄層，生長(zhǎng)溫度1050 °C，生長(zhǎng)厚度1nm，SiNx薄層為不連續(xù)的薄膜；
53:通入TMG和NH3在AlN薄層上生長(zhǎng)GaN種子層，N2作為載氣，N2流量為8000sccm，生長(zhǎng)溫度1050 °C，生長(zhǎng)時(shí)間為50s，V/III比為50，GaN種子層優(yōu)先生長(zhǎng)在AlN薄層上不連續(xù)SiNx薄膜和沒有覆蓋SiNx薄膜的交匯處，覆蓋SiNx薄膜的位置不會(huì)生長(zhǎng)GaN種子層；
54:通入TMG和NH3在GaN種子層上垂直生長(zhǎng)GaN納米柱，載氣為N2和H2，N2和H2的比例是50:1，生長(zhǎng)溫度1050°(:，￥/111比為50，生長(zhǎng)初始階段通入微量的31!14，31!14附著于納米柱的偵_，能夠抑制GaN的橫向生長(zhǎng)，有助于GaN的垂直生長(zhǎng)；
55:在GaN納米柱上生長(zhǎng)非故意摻雜GaN層，非故意摻雜GaN層生長(zhǎng)時(shí)采取橫向生長(zhǎng)的方式形成表面平坦的GaN層，生長(zhǎng)厚度為4um，生長(zhǎng)溫度為1200°C，V/III比為2000，在非故意摻雜GaN層上生長(zhǎng)N型GaN層，在N型GaN層上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層，在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型GaN層，在P型GaN層上生長(zhǎng)P型GaN接觸層，最后得到GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0022]實(shí)施例三:
上述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
SI:清潔藍(lán)寶石襯底并進(jìn)行表面氮化，將襯底在出氛圍中烘烤15min，溫度為1150 °C，隨后通入NH3進(jìn)行氮化，生成AlN薄層，氮化時(shí)間30 s;
S2:通入SiNx和NH3在AlN薄層上生成SiNx薄層，生長(zhǎng)溫度1000°C，生長(zhǎng)厚度5nm，SiNx薄層為不連續(xù)的薄膜；
53:通入TMG和NH3在AlN薄層上生長(zhǎng)GaN種子層，N2作為載氣，N2流量為6000sccm，生長(zhǎng)溫度1000 °C，生長(zhǎng)時(shí)間為30s，V/III比為20，GaN種子層優(yōu)先生長(zhǎng)在AlN薄層上不連續(xù)SiNx薄膜和沒有覆蓋SiNx薄膜的交匯處，覆蓋SiNx薄膜的位置不會(huì)生長(zhǎng)GaN種子層；
54:通入TMG和NH3在GaN種子層上垂直生長(zhǎng)GaN納米柱，載氣為N2和H2，N2和H2的比例是40:1，生長(zhǎng)溫度1000°(:，￥/111比為20，生長(zhǎng)初始階段通入微量的51!14，31!14附著于納米柱的偵_，能夠抑制GaN的橫向生長(zhǎng)，有助于GaN的垂直生長(zhǎng)；
S5:在GaN納米柱上生長(zhǎng)非故意摻雜GaN層，非故意摻雜GaN層生長(zhǎng)時(shí)采取橫向生長(zhǎng)的方式形成表面平坦的GaN層，生長(zhǎng)厚度為3um，生長(zhǎng)溫度為1050 °C，V/III比為5000，在非故意摻雜GaN層上生長(zhǎng)N型GaN層，在N型GaN層上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層，在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型GaN層，在P型GaN層上生長(zhǎng)P型GaN接觸層，最后得到GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于從下向上依次包括襯底(I )、位于襯底上的自組裝GaN納米柱(2)、位于GaN納米柱上的非故意摻雜GaN層(3)、位于非故意摻雜GaN層上的N型GaN層(4)、位于N型GaN層上的多量子阱發(fā)光層(5)、位于多量子阱發(fā)光層上的P型GaN層(6)和位于P型GaN層上的P型GaN接觸層。2.如權(quán)利要求1所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述襯底為藍(lán)寶石、S1、SiCXaN中的一種。3.如權(quán)利要求1或2所述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述GaN納米柱的高度為 500-3000nm，直徑為 100_800nm，密度為 107_109cm—2。4.如權(quán)利要求1或2所述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述非故意摻雜GaN層為生長(zhǎng)在GaN納米柱上的平整的GaN薄膜。5.如權(quán)利要求1所述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括以下步驟: S1:清潔襯底并進(jìn)行表面氮化，將襯底在H2氛圍中烘烤10-20min，溫度為1050-1200 °C，隨后通入NH3進(jìn)行氮化，生成AlN薄層，氮化時(shí)間10-50S; 52:通入SiNx和NH3在AlN薄層上生成SiNx薄層，生長(zhǎng)溫度950-1050°C，生長(zhǎng)厚度1-1Onm，SiNx薄層為不連續(xù)的薄膜； 53:通入TMG和NH3在AlN薄層上生長(zhǎng)GaN種子層，N2作為載氣，N2流量為4000-8000sccm，生長(zhǎng)溫度為950-1050°C，生長(zhǎng)時(shí)間為10s-50s，V/III比為10-50，GaN種子層優(yōu)先生長(zhǎng)在AlN薄層上不連續(xù)SiNx薄膜和沒有覆蓋SiNx薄膜的交匯處； 54:通入TMG和NH3在GaN種子層上垂直生長(zhǎng)GaN納米柱，載氣為N2和H2，N2和H2的比例是35:1-50:1，生長(zhǎng)溫度950-1050°(:，￥/111比為10-50，生長(zhǎng)初始階段通入3丨!14，3丨!14附著于納米柱的側(cè)壁，能夠抑制GaN納米柱的橫向生長(zhǎng)，有助于GaN納米柱的垂直生長(zhǎng)； 55:在GaN納米柱上生長(zhǎng)非故意摻雜GaN層，在非故意摻雜GaN層上生長(zhǎng)N型GaN層，在N型GaN層上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層，在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型GaN層，在P型GaN層上生長(zhǎng)P型GaN接觸層，最后得到GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。6.如權(quán)利要求5所述的一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于非故意摻雜GaN層生長(zhǎng)時(shí)采取橫向生長(zhǎng)的方式形成表面平坦的GaN層，生長(zhǎng)厚度為2?4um，生長(zhǎng)溫度為950-12000C，V/III比為500-5000。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK105932117SQ201610397088
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】盧太平, 朱亞丹, 趙廣洲, 許并社
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)