CN101789473A - 一种GaN基垂直结构发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种GaN基垂直结构发光二极管及其制备方法，涉及一种发光二极管。从下到上依次为蓝宝石衬底、低温GaN缓冲层、第1掺硅GaN层、5～10个周期的n-InGaN/n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层、第2掺硅GaN层、5个周期的固定或渐变组分InGaN/GaN量子阱、掺镁AlGaN层、掺镁GaN层、5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层、p-InGaN盖层。将蓝宝石衬底装入反应室，对衬底依次进行热处理和氮化处理后依次生长GaN缓冲层至p-InGaN盖层，退火后得GaN基垂直结构发光二极管。

Description

一种GaN基垂直结构发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种第三代化合物半导体材料GaN基垂直结构的发光二极管。

背景技术

众所周知，GaN基蓝光、紫光、蓝绿光发光二极管以其寿命长、功耗低、体积小等优点在许多领域都具有广泛应用，如大面积全色平板显示屏、仪表指示灯、蓝绿色交通灯以及各种照明设备等([1].Masayoshi Koike，Naoki Shibata，Hisaki Kato，et al.Development of highefficiency GaN-based multiquantum-well light-emitting diodes and their applications[J].IEEEJournal on Selected Topics in Quantum Electronics，2002，8(2)：271-277)。由于GaN属于六方晶系结构，而且生长温度高、缺乏本体衬底，因此通常GaN薄膜及其相关的III族氮化物半导体材料主要是异质外延在与之晶系结构相容的蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底的使用势必导致器件后续制备工艺复杂化，比如，GaN基LED和LD的制作，必须采用干法刻蚀技术刻出n-GaN欧姆接触面及谐振腔面([2].Dong-Sing WUU，Shun-Cheng HSU，Shao-Hua HUANG，Chia-ChengWU，Chia-En LEE and Ray-Hua HORNG.GaN/Mirror/Si Light-Emitting Diodes for VerticalCurrent Injection by Laser Lift-Off and Wafer Bonding Techniques.Japanese Journal of AppliedPhysics，2004，43(8A)：5239-5242)。还有，蓝宝石衬底的电导率和热导率都比较低，虽然目前GaN基发光二极管的电光转化效率已高达42％，但是仍有相当多的能量转化为热能。如果这些热能不及时导出，必然影响器件的电学特性和寿命，随之也会使器件制备复杂化([3].H.C.Lee，J.B.Park，J.W.Bae，Pham Thi Thu Thuy，M.C.Yoo and G.Y.Yeom.Effect of the surfacetexturing shapes fabricated using dry etching on the extraction efficiency of vertical light-emittingdiodes.Solid-State Electronics，2008，52：1193-1196)。因此，无蓝宝石衬底的自支撑GaN基光电子器件的获得逐渐成为一个活跃的研究热点。

近来，薄膜激光剥离技术已被确认为是GaN基异质外延结构移除蓝宝石衬底最有效的方法之一。Kelly等([4].M.K.Kelly，O.Ambacher，B.Dahlheimer，G.Groos，R.Dimitrov，H.Angererand M.Stutzmann.Appl.Phys.Lett.1996，69：1749)采用三倍频波长为355mm的Nd:YAG激光器及Wong等([5].W.S.Wong，T.Sands and N.W.Cheung.Appl.Phys.Lett.1998，72：599)利用波长为248nm的KrF准分子脉冲激光器通过激光辐照透明蓝宝石衬底均实现了GaN薄膜的成功剥离。其基本原理是利用晶片键合技术和激光诱导剥离技术(LLO)将GaN基LED等器件结构薄膜与蓝宝石衬底分离并转移到硅衬底或铜、镍等金属基板上。传统的基于蓝宝石衬底的的LED结构需要在台面上制作透明p型欧姆层以增强光提取效率。相比之下，垂直电注入结构的GaN基LED可以有效地增大出光面外延层并简化如干法刻蚀、表面粗化等制作过程。而且，这种结构也很容易实现n型GaN外延层的非退火欧姆接触。

值得注意的是，激光诱导剥离蓝宝石衬底之后的GaN基LED表面是N面GaN缓冲层，表面粗糙、晶体质量较差，直接在上面制作电极会影响器件的电学特性和可靠性，所以在制作n电极之前必须刻蚀掉这部分GaN缓冲层直至n型GaN层。这在GaN基LD高质量谐振腔面的制作过程中，则显得尤为关键。因为LD的腔面反射率随腔面粗糙程度的增加而呈指数下降，从而使阈值电流增加、斜率效率下降([6].Stocker D A，Schubert E F and Grieshaber.Appl.Phys.Lett.1998，73：1925-1927)。所以，在GaN基蓝光VCSEL微腔制作过程中，激光诱导剥离蓝宝石衬底后得到的低质量表面粗糙GaN层必须经过处理，以得到无损伤表面光滑的GaN层([7].HS Kim，MD Dawson，GY Yeom.Journal of the Korean Physical Society，2002，40(4)：567-571)。

然而，GaN的化学键合能高达8.92eV/atom，高结合能和宽带隙使GaN基材料的化学性质很稳定，在常温下几乎不受化学酸和碱等溶液的腐蚀。所以，基于III族氮化物的光电子器件的制作主要依赖于干法刻蚀技术，特别是基于等离子辅助的高密度等离子体刻蚀技术，如感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术。在制作高性能的GaN基LED和LD器件时，对刻蚀工艺的要求都比较苛刻，即具有较高的刻蚀速率，较大的刻蚀深度，垂直的侧壁，光滑的刻蚀表面等([8].Rong B，Cheung R，Gao W，et al.Effects of reactive ion etching on the electricalcharacteristics of GaN.J Vac Sci Technol，2000，B18(6)：3467～3470)。这些要求无疑都增加了器件制作的技术难度。为此，国内外许多研究小组做了大量实验致力于摸索出该刻蚀工艺的最佳条件以期满足上述要求。如F.Rizzi等([9].F.Rizzi，E.Gu，M.D.Dawson，I.M.Watson，et al.Thinning of N-face GaN(000 1)samples by inductively coupled plasma etching andchemomechanical polishing.J.Vac.Sci.Technol.A，2007，25(2)：252-260)在优化的Ga面GaN材料ICP刻蚀条件基础上，以Cl₂/Ar/BCl₃为等离子体源，分别通过降低直流偏压和减小BCl₃的流量，获得了平均表面粗糙度小于3nm和刻蚀速率高达370～390nm/min的N面GaN。另外，Choi等([10].Yong-Seok Choi，Michael Iza，Elison Matioli，Gregor Koblmüller，James S.Speck，Claude Weisbuch and Evelyn L.Hu.2.5λmicrocavity InGaN light-emitting diodes fabricated by aselective dry-etch thinning process.Appl.Phys.Lett，2007，91：061120)报道了基于SF₆/BCl₃的等离子体源对N面GaN:Al_xGa_1-xN的选择性刻蚀(N面GaN:Al_xGa_1-xN速率比≥5∶1，x≥0.15)，实现了RCLED微腔厚度的精确控制。还有，Ichitaro WAKI等([11].Ichitaro WAKI，Mike IZA，James S.SPECK，Steven P.DENBAARS and Shuji NAKAMURA.Etching of Ga-face and N-faceGaN by Inductively Coupled Plasma.Japanese Journal of Applied Physics，2006，45(2A)：720-723)的研究表明，用基于SF₆和BCl₃等离子体源的Ga面GaN ICP刻蚀条件刻蚀N面GaN会降低刻蚀速率和表面质量；而用传统的Cl/Ar等离子源刻蚀N面GaN会得到较高的刻蚀速率，并且不会使表面质量下降。在低Cl含量条件下，GaN表面Cl的吸附是限制刻蚀速率的主要因素；而在高Cl含量条件下，离子轰击则是限制刻蚀速率的主要因素。

与此同时，我们知道，特定的等离子体源对III族氮化物的刻蚀具有较高的选择性。Lee等([12].Ji-Myon Lee，Ki-Myung Chang，In-Hwan Lee and Seong-Ju Parka.Highly selective dryetching of III nitrides using an inductively coupled Cl₂/Ar/O₂ plasma.J.Vac.Sci.Technol.B，2000，18(3))指出，在Cl₂/Ar/O₂作为ICP刻蚀源的条件下，GaN、Al_xGa_1-xN和In_xGa_1-xN的刻蚀速率和选择性主要受O₂流量和等离子体参数的影响。由于AlGaN表面生成了AlO_x刻蚀终止层，使得GaN:Al_0.1Ga_0.9N和In_0.12Ga_0.88N:Al_0.1Ga_0.9N的刻蚀速率之比最大分别可达24和32，这层氧化物很容易在HF基溶液中除去。而且，由此得到的AlGaN表面质量比GaN和InGaN明显提高了。另外，由于n型超晶格中Si的低激活能，可以提高n型材料的电子浓度；利用n型超晶格的极化效应，可以在表面形成二维电子气(2DEG)，提高表面电子浓度，有利于电流扩展，从而降低接触电阻。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术制备GaN基垂直结构发光二极管的外延片仍采用传统发光二极管外延片结构中掺硅GaN层作为n型接触层的现状，提供一种n型超晶格结构作为接触层的GaN基垂直结构发光二极管及其制备方法。

本发明所述GaN基垂直结构发光二极管从下到上依次为：蓝宝石衬底、低温GaN缓冲层、第1掺硅GaN层、5～10个周期的n-InGaN/n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层、第2掺硅GaN层、5个周期的固定或渐变组分InGaN/GaN量子阱、掺镁AlGaN层、掺镁GaN层、5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层、p-InGaN盖层。

所述GaN基垂直结构发光二极管还设有p电极和n电极。

所述蓝宝石衬底可采用(0001)面蓝宝石衬底，电阻率可为10^-2～10^-3Ω·cm。

所述GaN缓冲层的厚度可为15～30nm；所述第1掺硅GaN层的厚度可为0.1～0.3μm。

所述第2掺硅GaN层的厚度可为1.5～3μm。

所述掺镁AlGaN层的厚度可为0.1～0.2μm，所述掺镁GaN层的厚度可为0.2～0.3μm。

所述5个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格的总厚度可为20～60nm，其中每个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层中的p-InGaN层的厚度可为2～5nm，每个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层中的p-AlGaN层的厚度可为2～7nm。

所述p-InGaN盖层的厚度可为2～3nm。

本发明所述GaN基垂直结构发光二极管的制备方法包括以下步骤：

1)将蓝宝石衬底装入反应室，对衬底依次进行热处理和氮化处理；

2)在氮化处理后的衬底上生长GaN缓冲层，随后升温，使GaN缓冲层重新结晶；

3)生长第1掺硅GaN层；

4)生长5～10个周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层；

5)生长第2掺硅GaN层；

6)生长5个周期的固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱；

7)分别生长掺镁AlGaN层和掺镁GaN层；

8)生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层；

9)在5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层上再生长p-InGaN盖层；

10)最后，将外延片退火，得GaN基垂直结构发光二极管。

在步骤1)中，所述热处理最好在H₂气氛下加热至1050～1200℃对衬底进行热处理5～20min，所述氮化处理最好是将热处理后的衬底降温到500～1000℃再对衬底进行氮化处理60～150s。

在步骤2)中，所述在氮化处理后的衬底上生长GaN缓冲层，最好是将氮化处理后的衬底降温至500～570℃，再生长GaN缓冲层，所述随后升温最好是升温至1030～1050℃保持恒温5～15min，所述生长GaN缓冲层的压力最好为200～800Torr，载气流量最好为10～30L/min，TMGa流量最好为20～120μmol/min，NH₃流量最好为80～120mol/min。

在步骤3)中，所述生长第1掺硅GaN层的温度可为950～1100℃，压力最好为100～300Torr，载气流量最好为5～20L/min，TMGa流量最好为80～400μmol/min，NH₃流量最好为120～500mol/min，SiH₄流量最好为0.2～2μmol/min。

在步骤4)中，所述生长5～10个周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层的温度可为750～1060℃，压力最好为300～400Torr，载气流量最好为5～20L/min，NH₃流量最好为120～500mol/min，TMGa流量最好为5～8μmol/min，n-AlGaN的TMAl流量最好为5～20μmol/min，SiH₄流量最好为0.3～2.5μmol/min；n-InGaN的TMIn流量最好为150μmol/min，SiH₄流量最好为30～120nmol/min。

在步骤5)中，所述生长第2掺硅GaN层的温度最好为950～1100℃，压力最好为100～300Torr，载气流量最好为5～20L/min，TMGa流量最好为80～400μmol/min，NH₃流量最好为120～500mol/min，SiH₄流量最好为0.2～2μmol/min。

在步骤6)中，所述生长5个周期的固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱最好是降温至705～840℃，N₂气氛下生长5个周期的固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱，所述生长固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱的压力最好为50～500Torr，载气流量最好为5～20L/min，NH₃流量最好为120～500mol/min，阱层生长温度最好为705～840℃，TMGa流量最好为1～4μmol/min，TMIn流量最好为10～40μmol/min，垒层的生长温度最好为840℃，TMGa流量最好为10～40μmol/min。

在步骤7)中，所述分别生长掺镁AlGaN层和掺镁GaN层的温度最好为950～1100℃，所述生长掺镁AlGaN层和掺镁GaN层的压力最好为50～200Torr，载气流量最好为5～20L/min，TMGa流量最好为20～50μmol/min，TMAl流量最好为2～5μmol/min，NH₃流量最好为120～500mol/min，Cp₂Mg流量最好为0.5μmol/min。

在步骤8)中，所述生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，最好是p-InGaN层的生长温度最好为770℃，p-AlGaN层的生长温度最好为800℃，所述生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的压力最好为300～400Torr，载气流量最好为5～20L/min，NH₃流量最好为120～500mol/min，p-InGaN的TMGa流量最好为5～8μmol/min，TMIn流量最好为100～200μmol/min，Cp₂Mg流量最好为100nmol/min；p-AlGaN的TMGa流量最好为20～50μmol/min，TMAl流量最好为5～10μmol/min，Cp₂Mg流量最好为260nmol/min。

在步骤10)中，所述将外延片退火最好在700～850℃的N₂气氛中退火10～30min。

本发明的Ga、In、Mg、N、Si源分别为三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、二茂镁(Cp₂Mg)、氨气(NH₃)和硅烷(SiH₄)。

本发明利用n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格中的Si的低激活能，以提高n型材料的电子浓度；利用n型超晶格的极化效应，导致Si的掺杂浓度提高，并且在n-GaN表面形成二维电子气，提高n-GaN表面电子浓度，以降低比接触电阻。同时，由于ICP对AlGaN、InGaN、GaN具有较高的刻蚀选择性，利用n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层中的n-AlGaN作为ICP刻蚀终止层，可以更加精确地控制GaN的刻蚀速率和厚度。所有样品均在Thomas Swan 3*2CCS LP-MOCVD设备中生长，用N₂和H₂混合气作为载气，进行该GaN基垂直结构发光二极管的外延生长，整个生长压力控制在50～800Torr之间。

由此可见，与现有的GaN基垂直结构发光二极管结构相比，本发明的突出优点是：由于本发明采用n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN短周期超晶格作为n型接触层和刻蚀终止层，因此不仅可以提高表面电子浓度，降低比接触电阻，而且可以精确控制ICP刻蚀GaN的速率和厚度。另外，选用超晶格结构作为n型接触层有利于提高器件电学性能，并且简化器件后续的制作工艺，如刻蚀、电极、腔面等。

附图说明

图1为n-AlGaN/n-InGaN和n-AlGaN/n-GaN两种超晶格结构的能带图。其中图(a)为n-AlGaN/n-InGaN SLs，图(b)为n-AlGaN/n-GaN SLs；能带分别为E_C，E_F，E_V。

图2为本发明GaN基垂直结构发光二极管外延片的结构示意图。其中标号1所示为(0001)面蓝宝石衬底，标号2所示为GaN缓冲层，标号3所示为第1掺硅GaN层，标号4所示为5～10个周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层，标号5所示为第2掺硅GaN层，标号6所示为5个周期的固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱，标号7所示为掺镁AlGaN层，标号8所示为掺镁GaN层，标号9所示为5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，标号10所示为p-InGaN盖层。

图3为本发明GaN基垂直结构发光二极管激光剥离蓝宝石衬底的示意图。其中标号11所示为金属过渡层，标号12所示为p型高导硅衬底，其它标号1～10与图2相同；Pulse Laser的λ＝248nm。

图4为本发明GaN基垂直结构发光二极管转移至硅衬底后ICP刻蚀N面GaN和第1掺硅GaN层的示意图。其中标号2～12与图2和3相同。

图5为本发明GaN基垂直结构发光二极管的结构示意图。其中标号13所示为n电极，标号14所示为p电极，其它标号4～12与图2和3相同。

具体实施方式

以下实施例均采用Thomas Swan 3*2CCS LP-MOCVD设备进行外延生长，对外延片样品给出4个实施例。

实施例1

1)将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H₂气氛下加热至1050℃烘烤20min，降温到500℃对衬底氮化处理150s，反应室压力为50Torr。

2)在500℃下生长厚度为15nm的GaN缓冲层，生长压力为200Torr，载气流量为10L/min，TMGa流量为20μmol/min，NH₃流量为80mol/min；随后升温至1030℃保持15min，使GaN缓冲层重新结晶。

3)在950℃下生长0.1μm的第1掺硅GaN层，生长压力为100Torr，载气流量为5L/min，TMGa的流量为80μmol/min，NH₃流量为120μmol/min，SiH₄流量为0.2nmol/min。

4)接着降温生长5个周期的n-AlGaN/n-InGaN超晶格层，其中n-AlGaN层生长温度为800℃，生长压力为300Torr，生长厚度为4nm，生长时间为40s，NH₃流量为120mol/min，SiH₄流量为0.3nmol/min，TMAl流量为5μmol/min，TMGa流量为5μmol/min，而n-InGaN层生长温度为750℃，生长厚度为3nm，生长时间为15s，生长压力为300Torr，NH₃流量为120μmol/min，SiH₄流量为30nmol/min，TMIn流量为150μmol/min，TMGa流量为5μmol/min。

5)在950℃下生长厚度为1.5μm的第2掺硅GaN层，生长压力为100Torr，载气流量为5L/min，TMGa流量为80μmol/min，NH₃流量为120mol/min，SiH₄流量为0.2nmol/min。

6)在N₂气氛下生长5个周期的固定组份InGaN/GaN量子阱。阱层为InGaN，厚度为2nm，生长压力为50Torr，TMGa流量为1μmol/min，TMIn流量为10μmol/min，NH₃流量为120mol/min，生长温度为705℃；垒层为GaN，厚度为5nm，TMGa流量为10μmol/min，NH₃流量为120mol/min，生长温度为840℃。

7)在950℃下分别生长厚度为0.1μm的掺镁AlGaN层和0.2μm的掺镁GaN层，生长压力为50Torr，TMGa流量为20μmol/min，TMAl流量为2μmol/min，NH₃流量为120mol/min，Cp₂Mg流量为0.5μmol/min。

8)在掺镁GaN层上降温生长5个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为300Torr，NH₃流量为120μmol/min，其中p-InGaN层生长温度为770℃，生长厚度为2nm，生长时间为10s，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为100μmol/min，TMGa流量为5μmol/min，而p-AlGaN层生长温度为800℃，生长厚度为2nm，生长时间为20s，Cp₂Mg流量为260nmol/min，TMAl流量为5μmol/min，TMGa流量为20μmol/min。

9)在5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层上再生长p-InGaN盖层，p-InGaN盖层的厚度为2nm，生长温度为770℃，生长压力为300Torr，生长时间为10s，NH₃流量为120μmol/min，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为100μmol/min，TMGa流量为5μmol/min。

10)最后，将外延片在700℃的N₂气氛中退火30min，得GaN基垂直结构发光二极管外延片。

实施例2

1)将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H₂气氛下加热至1100℃烘烤15min，降温到900℃对衬底氮化处理100s，反应室压力为50Torr。

2)在530℃下生长厚度为25nm的GaN缓冲层，生长压力为300Torr，载气流量为15L/min，TMGa流量为50μmol/min，NH₃流量为100mol/min；随后升温至1040℃保持10min，使GaN缓冲层重新结晶。

3)在1000℃下生长0.2μm的第1掺硅GaN层，生长压力为150Torr，载气流量为15L/min，TMGa的流量为300μmol/min，NH₃流量为300μmol/min，SiH₄流量为1nmol/min。

4)接着降温生长6个周期的n-AlGaN/n-InGaN超晶格层，其中n-AlGaN层生长温度为850℃，生长压力为300Torr，生长厚度为4nm，生长时间为35s，NH₃流量为250mol/min，SiH₄流量为1nmol/min，TMAl流量为15μmol/min，TMGa流量为6μmol/min，而n-InGaN层生长温度为770℃，生长厚度为3nm，生长时间为15s，生长压力为350Torr，NH₃流量为250μmol/min，SiH₄流量为80nmol/min，TMIn流量为150μmol/min，TMGa流量为6μmol/min。

5)在1000℃下生长厚度为2μm的第2掺硅GaN层，生长压力为150Torr，载气流量为15L/min，TMGa流量为300μmol/min，NH₃流量为300mol/min，SiH₄流量为1nmol/min。

6)在N₂气氛下生长5个周期的渐变组份InGaN/GaN量子阱。阱层为InGaN，厚度为2.5nm，生长压力为100Torr，TMGa流量为3μmol/min，TMIn流量为20μmol/min，NH₃流量为250mol/min，生长温度在120s时间内从705℃逐渐升至840℃；垒层为GaN，厚度为10nm，TMGa流量为20μmol/min，NH₃流量为250mol/min，生长温度为840℃。

7)在1050℃下分别生长厚度为0.13μm的掺镁AlGaN层和0.24μm的掺镁GaN层，生长压力为100Torr，TMGa流量为40μmol/min，TMAl流量为4μmol/min，NH₃流量为400mol/min，Cp₂Mg流量为0.5μmol/min。

8)在掺镁GaN层上降温生长5个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为380Torr，NH₃流量为350μmol/min，其中p-InGaN层生长温度为770℃，生长厚度为3nm，生长时间为12s，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为150μmol/min，TMGa流量为6μmol/min，而p-AlGaN层生长温度为800℃，生长厚度为3nm，生长时间为25s，Cp₂Mg流量为260nmol/min，TMAl流量为7μmol/min，TMGa流量为40μmol/min。

9)在5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层上再生长p-InGaN盖层，p-InGaN盖层的厚度为2.5nm，生长温度为770℃，生长压力为380Torr，生长时间为10s，NH₃流量为200μmol/min，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为150μmol/min，TMGa流量为6μmol/min。

10)最后，将外延片在800℃的N₂气氛中退火20min，得GaN基垂直结构发光二极管外延片。

实施例3

1)将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H₂气氛下加热至1150℃烘烤10min，降温到700℃对衬底氮化处理120s，反应室压力为50Torr。

2)在550℃下生长厚度为20nm的GaN缓冲层，生长压力为500Torr，载气流量为20L/min，TMGa流量为100μmol/min，NH₃流量为110mol/min；随后升温至1040℃保持10min，使GaN缓冲层重新结晶。

3)在1050℃下生长0.15μm的第1掺硅GaN层，生长压力为200Torr，载气流量为10L/min，TMGa的流量为200μmol/min，NH₃流量为400μmol/min，SiH₄流量为1.5nmol/min。

4)接着生长8个周期的n-AlGaN/n-GaN超晶格层，其中n-AlGaN层生长温度为1030℃，生长厚度为3nm，生长时间为22s，生长压力为300Torr，NH₃流量为400μmol/min，SiH₄流量为1.5nmol/min，TMAl流量为10μmol/min，TMGa流量为7μmol/min，而n-GaN层生长温度为950℃，生长压力为300Torr，生长厚度为3nm，生长时间为5s，NH₃流量为400mol/min，SiH₄流量为1nmol/min，TMGa流量为100μmol/min。

5)在1050℃下生长厚度为2.5μm的第2掺硅GaN层，生长压力为200Torr，载气流量为10L/min，TMGa的流量为200μmol/min，NH₃流量为400μmol/min，SiH₄流量为1.5nmol/min。

6)在N₂气氛下生长5个周期的固定组份InGaN/GaN量子阱。阱层为InGaN，厚度为3nm，生长压力为200Torr，TMGa流量为2μmol/min，TMIn流量为30μmol/min，NH₃流量为450mol/min，生长温度为705℃；垒层为GaN，厚度为15nm，TMGa流量为30μmol/min，NH₃流量为450mol/min，生长温度为840℃。

7)在1000℃下分别生长厚度为0.17μm的掺镁AlGaN层和0.28μm的掺镁GaN层，生长压力为150Torr，TMGa流量为30μmol/min，TMAl流量为3μmol/min，NH₃流量为250mol/min，Cp₂Mg流量为0.5μmol/min。

8)在掺镁GaN层上降温生长5个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为350Torr，NH₃流量为200μmol/min，其中p-InGaN层生长温度为770℃，生长厚度为4nm，生长时间为12s，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为180μmol/min，TMGa流量为7μmol/min，而p-AlGaN层生长温度为800℃，生长厚度为5nm，生长时间为25s，Cp₂Mg流量为260nmol/min，TMAl流量为8μmol/min，TMGa流量为30μmol/min。

9)在5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层上再生长p-InGaN盖层，p-InGaN盖层的厚度为2.8nm，生长温度为770℃，生长压力为350Torr，生长时间为10s，NH₃流量为200μmol/min，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为180μmol/min，TMGa流量为7μmol/min。

10)最后，将外延片在750℃的N₂气氛中退火25min，得GaN基垂直结构发光二极管外延片。

实施例4

1)将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H₂气氛下加热至1200℃烘烤5min，降温到1000℃对衬底氮化处理60s，反应室压力为50Torr。

2)570℃下生长厚度为30nm的GaN缓冲层，生长压力为800Torr，载气流量为30L/min，TMGa流量为120μmol/min，NH₃流量为120mol/min；随后升温至1050℃保持5min，使GaN缓冲层重新结晶。

3)在1100℃下生长0.3μm的第1掺硅GaN层，生长压力为300Torr，载气流量为20L/min，TMGa的流量为400μmol/min，NH₃流量为500μmol/min，SiH₄流量为2nmol/min。

4)接着降温生长10个周期的n-AlGaN/n-GaN超晶格层，其中n-AlGaN层生长温度为1060℃，生长厚度为3nm，生长时间为20s，生长压力为400Torr，NH₃流量为500μmol/min，SiH₄流量为2.5nmol/min，TMAl流量为20μmol/min，TMGa流量为8μmol/min，而n-GaN层生长温度为1000℃，生长压力为400Torr，生长厚度为3nm，生长时间为5s，NH₃流量为500mol/min，SiH₄流量为1nmol/min，TMGa流量为100μmol/min。

5)在1100℃下生长厚度为3μm的第2掺硅GaN层，生长压力为300Torr，载气流量为20L/min，TMGa的流量为400μmol/min，NH₃流量为500μmol/min，SiH₄流量为2nmol/min。

6)在N₂气氛下生长5个周期的渐变组份InGaN/GaN量子阱。阱层为InGaN，厚度为4nm，生长压力为300Torr，TMGa流量为4μmol/min，TMIn流量为40μmol/min，NH₃流量为500mol/min，生长温度在180s时间内从705℃逐渐升至840℃；垒层为GaN，厚度为20nm，TMGa流量为40μmol/min，NH₃流量为500mol/min，生长温度为840℃。

7)在1100℃下分别生长厚度为0.2μm的掺镁AlGaN层和0.3μm的掺镁GaN层，生长压力为200Torr，TMGa流量为50μmol/min，TMAl流量为5μmol/min，NH₃流量为500mol/min，Cp₂Mg流量为0.5μmol/min。

8)在掺镁GaN层上降温生长5个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为400Torr，NH₃流量为500μmol/min，其中p-InGaN层生长温度为770℃，生长厚度为5nm，生长时间为15s，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为200μmol/min，TMGa流量为8μmol/min，而p-AlGaN层生长温度为800℃，生长厚度为7nm，生长时间为30s，Cp₂Mg流量为260nmol/min，TMAl流量为10μmol/min，TMGa流量为50μmol/min。

9)在5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层上再生长p-InGaN盖层，p-InGaN盖层的厚度为3nm，生长温度为770℃，生长压力为400Torr，生长时间为10s，NH₃流量为200μmol/min，Cp₂Mg流量为100nmol/min，TMIn流量为200μmol/min，TMGa流量为8μmol/min。

10)最后，将外延片在850℃的N₂气氛中退火10min，得GaN基垂直结构发光二极管外延片。

(二)GaN基垂直结构发光二极管的制备工艺

1、GaN-LED外延片预处理

(1)常规清洗：将外延片依次用甲苯、丙酮、乙醇超声清洗10min，冷热去离子水各冲洗5min。将样品放入王水中煮沸10min，然后用冷热去离子水各冲洗5min。

(2)氮气吹干。

(3)烘箱中烘2h，备用。

2、硅片预处理

(1)标准清洗：将硅片依次用III号液煮沸10min，热去离子水冲洗10遍，后冲去离子水5遍；放入HF∶H₂O＝1∶20的溶液中浸泡4min，然后热去离子水冲洗15遍，后冷去离子水冲洗15遍。I号液煮沸10min，热去离子水冲洗10遍，后冲去离子水5遍；放入HF∶H₂O＝1∶20的溶液中浸泡2min，然后热去离子水冲洗15遍，后冷去离子水冲洗15遍。II号液煮沸10min，热去离子水冲洗15遍，后冲去离子水15遍。

(2)氮气吹干，备用。

3、蒸镀金属过渡层

在GaN-LED外延片表面用电子束蒸镀Ni/Au(5nm/5nm)，合金，然后再蒸镀Ag/Ni/Au(150nm/10nm/200nm)。在硅片表面蒸镀Ti/Au(40nm/200nm)。

4、键合

将GaN-LED外延片和硅片面对面贴合装入AWB04键合机，在温度420℃、压力100N条件下处理1h。

5、激光剥离

将键合好的片子固定在电动平台上，用波长为λ＝248nm、占空比为30％的KrF准分子脉冲激光器辐照蓝宝石衬底。

6、ICP刻蚀

将转移衬底的GaN-LED外延膜以Cl/Ar/O₂为ICP等离子体源刻蚀掉N面GaN缓冲层和第1掺硅GaN层。

7、光刻。

8、蒸镀n、p电极

在n型超晶格顶层和硅衬底背面分别蒸镀金属Ti/Al/Ni/Au(20nm/20nm/20nm/200nm)和Al(200nm)。

9、剥离。

10、合金。

Claims (10)

1.一种GaN基垂直结构发光二极管，其特征在于，

从下到上依次为蓝宝石衬底、低温GaN缓冲层、第1掺硅GaN层、5～10个周期的n-InGaN/n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层、第2掺硅GaN层、5个周期的固定或渐变组分InGaN/GaN量子阱、掺镁AlGaN层、掺镁GaN层、5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层、p-InGaN盖层；

所述GaN基垂直结构发光二极管还设有p电极和n电极。

2.如权利要求1所述的一种GaN基垂直结构发光二极管，其特征在于，

所述蓝宝石衬底采用(0001)面蓝宝石衬底，电阻率为10^-2～10^-3Ω·cm；所述GaN缓冲层的厚度为15～30nm；所述第1掺硅GaN层的厚度为0.1～0.3μm；所述第2掺硅GaN层的厚度为1.5～3μm；所述掺镁AlGaN层的厚度为0.1～0.2μm，所述掺镁GaN层的厚度为0.2～0.3μm；所述5个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格的总厚度为20～60nm，其中每个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层中的p-InGaN层的厚度为2～5nm，每个周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格层中的p-AlGaN层的厚度为2～7nm；所述p-InGaN盖层的厚度为2～3nm。

3.如权利要求1所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

包括以下步骤：

1)将蓝宝石衬底装入反应室，对衬底依次进行热处理和氮化处理；

2)在氮化处理后的衬底上生长GaN缓冲层，随后升温，使GaN缓冲层重新结晶；

3)生长第1掺硅GaN层；

4)生长5～10个周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层；

5)生长第2掺硅GaN层；

6)生长5个周期的固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱；

7)分别生长掺镁AlGaN层和掺镁GaN层；

8)生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层；

9)在5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层上再生长p-InGaN盖层；

10)最后，将外延片退火，得GaN基垂直结构发光二极管。

4.如权利要求3所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

在步骤1)中，所述热处理在H₂气氛下加热至1050～1200℃对衬底进行热处理5～20min，所述氮化处理是将热处理后的衬底降温到500～1000℃再对衬底进行氮化处理60～150s。

5.如权利要求3所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

在步骤2)中，所述在氮化处理后的衬底上生长GaN缓冲层，是将氮化处理后的衬底降温至500～570℃，再生长GaN缓冲层，所述随后升温是升温至1030～1050℃保持恒温5～15min，所述生长GaN缓冲层的压力为200～800Torr，载气流量为10～30L/min，TMGa流量为20～120μmol/min，NH₃流量为80～120mol/min。

6.如权利要求3所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

在步骤3)中，所述生长第1掺硅GaN层的温度为950～1100℃，压力为100～300Torr，载气流量为5～20L/min，TMGa流量为80～400μmol/min，NH₃流量为120～500mol/min，SiH₄流量为0.2～2μmol/min；

在步骤5)中，所述生长第2掺硅GaN层的温度为950～1100℃，压力为100～300Torr，载气流量为5～20L/min，TMGa流量为80～400μmol/min，NH₃流量为120～500mol/min，SiH₄流量为0.2～2μmol/min。

7.如权利要求3所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

在步骤4)中，所述生长5～10个周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格层的温度为750～1060℃，压力为300～400Torr，载气流量为5～20L/min，NH₃流量为120～500mol/min，TMGa流量为5～8μmol/min，n-AlGaN的TMAl流量为5～20μmol/min，SiH₄流量为0.3～2.5μmol/min；n-InGaN的TMIn流量为150μmol/min，SiH₄流量为30～120nmol/min。

8.如权利要求3所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

在步骤6)中，所述生长5个周期的固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱是降温至705～840℃，N₂气氛下生长5个周期的固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱，所述生长固定或渐变组份InGaN/GaN量子阱的压力为50～500Torr，载气流量为5～20L/min，NH₃流量为120～500mol/min，阱层生长温度为705～840℃，TMGa流量为1～4μmol/min，TMIn流量为10～40μmol/min，垒层的生长温度为840℃，TMGa流量为10～40μmol/min。

9.如权利要求3所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

在步骤7)中，所述分别生长掺镁AlGaN层和掺镁GaN层的温度为950～1100℃，所述生长掺镁AlGaN层和掺镁GaN层的压力为50～200Torr，载气流量为5～20L/min，TMGa流量为20～50μmol/min，TMAl流量为2～5μmol/min，NH₃流量为120～500mol/min，Cp₂Mg流量为0.5μmol/min。

10.如权利要求3所述的GaN基垂直结构发光二极管的制备方法，其特征在于，

在步骤8)中，所述生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，是p-InGaN层的生长温度为770℃，p-AlGaN层的生长温度为800℃，所述生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的压力为300～400Torr，载气流量为5～20L/min，NH₃流量为120～500mol/min，p-InGaN的TMGa流量为5～8μmol/min，TMIn流量为100～200μmol/min，Cp₂Mg流量为100nmol/min；p-AlGaN的TMGa流量为20～50μmol/min，TMAl流量为5～10μmol/min，Cp₂Mg流量为260nmol/min；

在步骤10)中，所述将外延片退火在700～850℃的N₂气氛中退火10～30min。

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