CN102637791B - 基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于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。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GaNLED结构层。本发明采用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GaNLED结构层，工艺步骤简单方便，能大大提高GaNLED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GaNLED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。

Description

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、Al_xGa_1-xN层、In_xGa_1-xN层或Al_xIn_yGa_1-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Al_mGa_1-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、Al_xGa_1-xN层、In_xGa_1-xN层或Al_xIn_yGa_1-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Al_zGa_1-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Al_mGa_1-mN、GaN的周期结构，所述周期是1~100，Al_mGa_1-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Al_0.15Ga_0.85N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Al_0.2Ga_0.8N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-Al_0.15Ga_0.85N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Al_0.2Ga_0.8N/GaN的DBR层12，其中每个周期Al_0.2Ga_0.8N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-Al_0.15Ga_0.85N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-Al_0.15Ga_0.85N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-Al_0.15Ga_0.85N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。

Claims (1)

1.一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是：包括AlN陶瓷衬底（101）及生长于AlN陶瓷衬底（101）上的缓冲层（102），所述缓冲层（102）上生长有GaN LED结构层；

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；

所述AlN陶瓷衬底（101）为多晶体时，AlN陶瓷衬底（101）与缓冲层（102）间设置有晶相为<001>的单晶取向层或类单晶取向层；

所述缓冲层（102）的厚度为10nm~100nm；缓冲层（102）为Al_xGa_1-xN层、In_xGa_1-xN层或 Al_xIn_yGa_1-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（105）上生长有P型氮化镓层（106）；

所述非掺杂GaN层（103）与N型氮化镓层（104）间设置DBR层（12），所述DBR层（12）生长于非掺杂GaN层（103）上；

所述P型氮化镓层（106）上生长有粗化层（107）；

所述DBR层（12）为Al_mGa_1-mN、GaN的周期结构，所述周期是1~100，m范围是0.01~0.99。