基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种GaN外延片结构及制备方法,尤其是一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法,属于外延片的技术领域。
背景技术
用于GaN生长最普遍的衬底是蓝宝石衬底;其优点是化学稳定性好,不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题,例如晶格失配和热应力失配,导热性能不好。尤其是蓝宝石的导热性能不好(在100℃约为25W/(m·K)),在使用LED器件时,会传导出大量的热量;特别是对面积较大的大功率器件,导热性能是一个非常重要的考虑因素。通常LED采用蓝宝石作为衬底,而LED的核心部件如芯片、荧光粉等均对温度敏感,如散热不良,将导致LED芯片的结温升高,从而直接影响LED器件的性能,如出射光发生红移、发光效率降低、荧光粉加速老化以及芯片寿命缩短甚至失效等。
而与导热性差的蓝宝石衬底相比,AlN陶瓷衬底却具有高的热导率(高于180W/m*K),同时又具备适宜的热膨胀系数。而且AlN陶瓷衬底具有良好的电气绝缘性能和电磁相容性,机械性能优良,并耐腐蚀、物理化学性能稳定,晶体常数GaN晶体接近,可有效减少界面热应力。
AlN衬底在GaN生长领域没有被应用的原因主要有两条:1、AlN衬底的制作还处于实验室研发阶段,制作此类衬底成本高昂。直到2008年美国纽约的Crystal IS公司才提供了世界上第一片2英寸的AlN单晶衬底,不过表面仅有50%的单晶使用面积。目前国内仅有少量研究单位在实验室制备过AlN陶瓷衬底。2、使用AlN衬底生长GaN单晶材料在技术上实现起来比较困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法,其结构简单紧凑,提高外延片的导热性能及发热效率,机械性能优良,耐腐蚀,延长通过外延片制备LED器件的使用寿命,稳定可靠。
按照本发明提供的技术方案,所述基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构,包括AlN陶瓷衬底及生长于AlN陶瓷衬底上的缓冲层,所述缓冲层上生长有GaN LED结构层。
所述AlN陶瓷衬底的厚度为50mm~300mm,AlN陶瓷衬底的晶相为<001>、<111>、<110>的单晶体或多晶体。
所述AlN陶瓷衬底为多晶体时,AlN陶瓷衬底与缓冲层间设置有晶相为<001>的单晶取向层或类单晶取向层。
所述缓冲层的厚度为10nm~100nm;缓冲层为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GaN LED结构层包括生长于缓冲层上的非掺杂GaN层、所述非掺杂GaN层上生长有N型氮化镓层,所述N型氮化镓层上生长有多量子阱层,所述多量子阱层上生长有P型铝镓氮层,所述P型铝镓氮层上生长有P型氮化镓层。
所述非掺杂GaN层与N型氮化镓层间设置DBR层,所述DBR层生长于非掺杂GaN层上。
所述P型氮化镓层上生长有粗化层。
所述DBR层为AlmGa1-mN、GaN的周期结构,所述周期是1~100,m范围是0.01~0.99。
一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构制备方法,所述GaN外延片结构制备方法包括如下步骤:
a、提供AlN陶瓷衬底,并将所述AlN陶瓷衬底在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AlN陶瓷衬底降温至500℃~600℃,并利用MOCVD工艺在AlN陶瓷衬底上缓冲层;
c、在上述缓冲层上通过MOCVD工艺生长GaN LED结构层。
所述步骤c包括如下步骤:
c1、在H2氛围下,将生长有缓冲层的AlN陶瓷衬底环境温度升至1000℃~1200℃,并在缓冲层上生长非掺杂GaN层;
c2、在上述AlN陶瓷衬底上生长N型氮化镓层,所述N型氮化镓层覆盖于非掺杂GaN层;
c3、在上述AlN陶瓷衬底放置于N2氛围下并使温度为740℃~860℃,以在N型氮化镓层上生长5~15个周期结构的量子阱层,以形成多量子阱层;
c4、将上述陶瓷衬底再次放置于H2氛围下并使温度为450℃~1000℃,在多量子阱层上生长P型铝镓氮层;
c5、在上述P型铝镓氮层上生长P型氮化镓层。
本发明的优点:采用AlN陶瓷衬底,并在AlN陶瓷衬底上设置缓冲层,通过生长缓冲层后在AlN陶瓷衬底上通过MOCVD常规工艺制备得到GaN LED结构层,工艺步骤简单方便,能大大提高GaN LED晶体质量,同时可以在GaNLED结构层内设置DBR层及粗化层,以提高通过GaN LED结构层得到LED工作时的出光效率,通过AlN陶瓷衬底能提高导热性能,结构简单紧凑,工艺简单,机械性能优良,耐腐蚀,延长通过外延片制备LED器件的使用寿命,稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明在非掺杂GaN层与N型氮化镓层间设置DBR层的结构示意图。
图3为在P型氮化镓层上生长粗化层的结构示意图。
附图标记说明:11-多量子阱层、12-DBR层、101-AlN陶瓷衬底、102-缓冲层、103-非掺杂GaN层、104-N型氮化镓层、105-P型铝镓氮层、106-P型氮化镓层及107-粗化层。
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。
如图1所示:为了能够使得LED结构能够具有较好的导热性能,延长相应LED的使用寿命,本发明包括GaN LED结构层,其中,GaN LED结构层位于AlN陶瓷衬底101,为了能够使得AlN陶瓷衬底101上能够生长GaN LED结构层,AlN陶瓷衬底101上生长有缓冲层102,所述GaN LED结构层生长于缓冲层102上,通过AlN陶瓷衬底101的导热性能,提高GaN LED结构层的导热性能,同时AlN陶瓷衬底101与GaN LED结构层间具有较低的界面热应力;GaNLED结构层与现有LED结构中的结构层结构一致。
所述AlN陶瓷衬底101的厚度为50mm~300mm,AlN陶瓷衬底101的晶相为<001>、<111>、<110>的单晶体或多晶体。当所述AlN陶瓷衬底101为多晶体时,AlN陶瓷衬底101与缓冲层102间设置有单晶取向层或类单晶取向层。在AlN陶瓷衬底101上设置单晶取向层及类单晶取向层为常规的做法,单晶取向层或类单晶取向层的晶相为<001>,通过单晶取向层或类单晶取向层后能够使得AlN陶瓷衬底101为生长缓冲层102的基础。
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GaN LED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型铝镓氮层105,所述P型铝镓氮层为P型AlzGa1-zN,z范围是0.01~0.35,所述P型铝镓氮层105上生长有P型氮化镓层106。所述非掺杂GaN层103的厚度为500~2000nm。
如图2所示:为提高GaN LED结构层的出光效率,在非掺杂GaN层103与N型氮化镓层104间设有DBR(分布式布拉格反射镜,Distributed BraggReflector)层12,所述DBR层12是AlmGa1-mN、GaN的周期结构,所述周期是1~100,AlmGa1-mN中m代表Al的摩尔浓度,m范围是0.01~0.99;所述周期结构为通过生长多个周期得到的结构。通过DBR层12能够使得GaN LED结构层在外部电压作用下发光时,降低AlN陶瓷衬底101对光的吸收,提高出光效率。
如图3所示:为提高GaN LED结构层的出光效率,本发明实施例中还可以在P型氮化镓层106上生长粗化层107,所述粗化层107的表面可以是光滑的,反射率在16%以上,或粗化层107的表面可以是粗糙的,粗糙表面反射率在5%以下。所述粗化层107可以通过在650℃~850℃的温度下低温生长P型GaN获得的,也可以由Cp2Mg和NH3反应生成Mg和N的化合物获得粗糙的表面。
如图1所示:上述基于AlN陶瓷衬底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,Metalorganic Chemical Vapor Deposition)生长工艺,衬底选用<001>晶相的AlN陶瓷衬底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AlN陶瓷衬底101,并将所述AlN陶瓷衬底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AlN陶瓷衬底101降温至500℃~600℃,并利用MOCVD工艺在AlN陶瓷衬底101上缓冲层102;
c、在上述缓冲层102上通过MOCVD工艺生长GaN LED结构层。
由于GaN LED结构层的制备过程与现有采用蓝宝石衬底生长获得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GaN LED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AlN陶瓷衬底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AlN陶瓷衬底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AlN陶瓷衬底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450℃~1000℃,在多量子阱层11上生长P型铝镓氮层105;
c5、在上述P型铝镓氮层105上生长P型氮化镓层106。
当通过步骤c获得GaN LED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GaN LED结构层上制备出P电极与N电极即可。
下面通过几个具体的实施例来说明本发明基于AlN陶瓷衬底101的GaN外延片结构制备过程。
实施例1、采用MOCVD工艺制备,
步骤1、将<001>晶相的AlN陶瓷衬底101放入反应室中,然后在H2环境中升温至1050℃,稳定10分钟,对AlN陶瓷衬底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AlN陶瓷衬底101的缓冲层102;步骤3、在缓冲层102上生长1μm厚度的非掺杂氮化镓103;步骤4、生长1.5μm厚度的N型氮化镓104;步骤5、在N2环境中生长得到10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30nm厚度的P型Al0.15Ga0.85N层,得到P型铝镓氮层105;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓层106;步骤8、降温至室温,生长结束。
实施例2、采用MOCVD工艺制备,
步骤1、将<001>晶相的AlN陶瓷衬底101放入反应室中,然后在H2环境中升温至1050℃,稳定10分钟,对AlN陶瓷衬底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1μm厚度的非掺杂氮化镓103;步骤4、生长1.5μm厚度的N型氮化镓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30nm厚度的p-Al0.15Ga0.85N层,得到P型铝镓氮层105;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓106;步骤8、降温至室温,生长结束。
实施例3、采用MOCVD工艺制备,
步骤1、将<001>晶相的AlN陶瓷衬底101放入反应室中,然后在H2环境中升温至1050℃,稳定10分钟,对AlN陶瓷衬底101进行高温净化;步骤2、生长20nm厚度的低温GaN基层,以作为缓冲层102;步骤3、生长1μm厚度的非掺杂氮化镓103;步骤4、生长25个周期结构的Al0.2Ga0.8N/GaN的DBR层12,其中每个周期Al0.2Ga0.8N的厚度47nm,GaN的厚度43nm;步骤5、生长1.5μm厚度的N型氮化镓104;步骤6、在N2环境中生长10个周期的多量子阱层11,其中多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nm,N型GaN阱层:厚度为1.6nm;步骤7、生长50nm厚度的p-Al0.15Ga0.85N层,得到P型铝镓氮层105;步骤8、生长300nm厚度的P型氮化镓106;步聚9、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AlN陶瓷衬底101放入反应室中,然后在H2环境中升温至1050℃,稳定10分钟,对AlN陶瓷衬底101进行高温净化;步骤2、生长20nm厚度的低温GaN基层,以作为缓冲层102;步骤3、生长1μm厚度的非掺杂氮化镓103;步骤4、生长1.5μm厚度的N型氮化镓104;步骤5、在N2环境中生长得到10个周期的多量子阱层11,其中多量子阱11内GaN垒层厚度为20nm,InGaN阱层的厚度为1.6nm;步骤6、生长50nm厚度的p-Al0.15Ga0.85N层,得到P型铝镓氮层105;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓106;步骤8、生长50nm的粗化的P型GaN结构,以得到粗化层107;步骤9、降温至室温,生长结束。
实施例5、采用MOCVD工艺制备,
步骤1、将多晶AlN陶瓷衬底101放入反应室中,然后在H2环境中升温至1050℃,稳定10分钟,对AlN陶瓷衬底101进行高温净化;步骤2、生长10nm厚度的<001>取相的类单晶取相层,并在类单晶取相层上生长20nm厚度的低温GaN基层,以作为缓冲层102;步骤3、生长1μm厚度的非掺杂氮化镓103;步骤4、生长1.5μm厚度的N型氮化镓104;步骤5、在N2环境中生长得到10个周期的多量子阱层11,其中多量子阱层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-Al0.15Ga0.85N层,得到P型铝镓氮层105;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓106;步骤8、降温至室温,生长结束。
如图1~图3所示:本发明采用AlN陶瓷衬底101,并在AlN陶瓷衬底101上设置缓冲层102,通过生长缓冲层102后在AlN陶瓷衬底101上通过MOCVD常规工艺制备得到GaN LED结构层,工艺步骤简单方便,能大大提高GaN LED晶体质量,同时可以在GaN LED结构层内设置DBR层12及粗化层107,以提高通过GaN LED结构层得到LED工作时的出光效率,通过AlN陶瓷衬底101能提高导热性能,结构简单紧凑,工艺简单,机械性能优良,耐腐蚀,延长通过外延片制备LED器件的使用寿命,稳定可靠。