CN103441202A - 具有图形化DBR结构的GaN衬底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，涉及GaN基发光二极管技术领域。该图形化DBR结构包括衬底、GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR层，DBR层为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN层和GaN层，其中0<x<1，0<y<1，多周期结构的周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。本发明GaN衬底能增强DBR结构的反射效果，提高后续生长的GaN基LED外延片的晶体质量和发光效率。本发明同时公开了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法。

Description

具有图形化DBR结构的GaN衬底及其制备方法

技术领域

本发明涉及GaN基发光二极管技术领域，特别涉及一种具有图形化DBR结构的GaN衬底及其制备方法。

背景技术

LED（发光二极管,Light Emitting Diode）作为一种注入型的半导体电致发光器件，靠电子在能带间跃迁发光，其发光波长主要由材料的禁带宽度决定。GaN（氮化镓）基材料具备从0.7eV到6.2eV之间连续可调的直接宽带隙，理论上可覆盖从红光至紫外光在内的整个可见光谱。在GaN基LED的制备中，加入DBR（分布式布拉格反射镜，distributed Bragg reflection）结构可以提高光的取出效率。

目前具有DBR结构的GaN衬底包括衬底、在衬底上依次生长的GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR结构，该DBR结构为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN层和在Al_xIn_yGa_1-x-yN层上的GaN层，其中0<x<1，0<y<1，该多周期结构的周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

由于DBR结构中的Al_xIn_yGa_1-x-yN层与GaN层之间本身存在晶格失配，周期数大于10，且每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm的设计会导致DBR结构应力过大而产生额外的位错，这一方面会影响DBR结构的反射效果，另一方面会影响在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的质量和发光效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有图形化DBR结构的GaN衬底及制备方法，能解决现有GaN衬底由于周期数设计和每层厚度设计，影响DBR结构的反射效果及影响后续生长的GaN基LED外延片的质量和发光效率的问题。

为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，包括衬底、在所述衬底上依次向上生长的GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN层和在所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层上的GaN层，其中0<x<1，0<y<1，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm，所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。

进一步地，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形

进一步地，所述图形结构为长方体结构、多棱锥结构、多棱柱结构、多棱台结构、圆锥结构、圆柱结构、或圆台结构。

进一步地，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5～20微米。

进一步地，任意两个所述图形结构之间的距离为1～30微米。

进一步地，所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和所述GaN层的厚度均40～100纳米。

进一步地，所述多周期结构的周期数为10～60。

另一方面，本发明实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法，包括步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上依次向上生长GaN成核层和未掺杂GaN层；

在所述未掺杂GaN层上向上生长DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN层和在所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层上的GaN层，其中0<x<1，0<y<1，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm；

对所述DBR层进行蚀刻，使所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。

进一步地，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5～20微米。

进一步地，任意两个所述图形结构之间的距离为1～30微米。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

虽然DBR结构中的Al_xIn_yGa_1-x-yN层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的一种布局的正视图；

图2是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的另一种布局的正视图；

图3是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的再一种布局的正视图；

图4是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的又一种布局的俯视图；

图5是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的再一种布局的俯视图；

图6是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的又一种布局的俯视图；

图7是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的再一种布局的俯视图；

图8为本发明实施例二提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法的流程图；

图9是本发明实施例三提供的GaN基LED外延片的正视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，该GaN衬底包括衬底1、在衬底1上依次向上生长的GaN成核层2、未掺杂GaN层3和DBR层4，该DBR层4为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN层411和在Al_xIn_yGa_1-x-yN层411上的GaN层412，其中0<x<1，0<y<1，多周期结构的周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层411的厚度和每层GaN层412的厚度均大于20nm，该DBR层4在该未掺杂GaN层3上形成阵列排列的图形结构41。

进一步地，参考图4、图5、图6和图7，本实施例图形结构41的底面可以为正方形（见图4）、正三角形（见图5）、正六边形（见图6）或棱形（见图7）。当然，本实施例图形结构41的底面还可以为长方形或圆形。

进一步地，参考图2、图3和图4，该图形结构41为长方体结构（见图1并结合图4）或多棱锥结构（例如三棱柱结构，见图2并结合图5）。当然，本实施例图形结构41还可以为多棱柱结构、多棱台结构、圆柱结构、圆锥结构或圆台结构。

进一步地，该正方形、该正三角形、该正六边形、该棱形、该长方形的边长或该圆形的直径为0.5～20微米。

进一步地，任意两个图形结构41之间的距离为1～30微米。

进一步地，该Al_xIn_yGa_1-x-yN层411的厚度和该GaN层412的厚度均40～100纳米。通过厚度设计，使透射光线与反射光线在多量子阱层6（见图9）的上表面发生干涉加强，从而减少透射光线的强度，加强反射光线的强度。例如，该DBR结构41的多周期结构中，每一周期包括Al_0.3Ga_0.7N层和GaN层，Al_0.3Ga_0.7N的厚度分别为65纳米，GaN层的厚度为47纳米。

进一步地，该多周期结构的周期数为10～60。例如，该多周期结构的周期数为30。

在本实施例中，图形结构41的高宽比可以为1～2，这样一方面使更多的光能够二次出射，另一方面使在DBR结构上侧向外延生长的GaN基LED外延片的质量更好，发光效率更高。

由上述技术方案可知，虽然DBR结构中的Al_xIn_yGa_1-x-yN层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。

实施例二

参见图8并结合图1，本实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法，该包括：

步骤S81，提供一衬底1，并在金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统中，将衬底1在温度为1000～1100℃（例如1100℃），纯氢气气氛里高温热处理10～15分钟（例如15分钟）；

步骤S182，将温度降低至500～600℃（例如600℃），在衬底上向上生长20nm厚的GaN成核层2；

步骤S83，将温度上升至900～1000℃（例如1000℃），在GaN成核层2上向上生长3μm厚的非掺杂GaN层3；

步骤S84，保持温度不变，在非掺杂GaN层3上向上生长DBR层4，该DBR层4为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN411和在Al_xIn_yGa_1-x-yN层411上的GaN层412，其中0<x<1，0<y<1，多周期结构的周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层411的厚度和每层GaN层412的厚度均大于20nm；

步骤S85，对该DBR层4进行等离子体蚀刻，使该DBR层4在该未掺杂GaN层3上形成阵列排列的图形结构41。

进一步地，参考图4、图5、图6和图7，本实施例图形结构41的底面可以为正方形（见图4）、正三角形（见图5）、正六边形（见图6）或棱形（见图7）。当然，本实施例蚀刻形成的图形结构的底面还可以为长方形或圆形。

进一步地，参考图2、图3和图4，图形结构41为长方体结构（见图1并结合图4）或多棱锥结构（例如三棱柱结构，见图2并结合图5）。当然，本实施例蚀刻形成的图形结构还可以为多棱柱结构、多棱台结构、圆柱结构、圆锥结构或圆台结构。

进一步地，该正方形、该正三角形、该正六边形、该棱形、该长方形的边长或该圆形的直径为0.5～20微米。

进一步地，蚀刻后，任意两个图形结构41之间的距离为1～30微米。

进一步地，Al_xIn_yGa_1-x-yN层411的厚度和该GaN层412的厚度均40～100纳米。通过厚度设计，使透射光线与反射光线在多量子阱层6（见图9）的上表面发生干涉加强，从而减少透射光线的强度，加强反射光线的强度。例如，该DBR结构41的多周期结构中，每一周期包括Al_0.3Ga_0.7N层和GaN层，Al_0.3Ga_0.7N的厚度分别为65纳米，GaN层的厚度为47纳米。例如，该DBR结构41的多周期结构中，每一周期包括Al_0.3Ga_0.7N层和GaN层，Al_0.3Ga_0.7N的厚度分别为65纳米，GaN层的厚度为47纳米。

进一步地，该多周期结构的周期数为10～60。例如，该多周期结构的周期数为30。

虽然DBR结构中的Al_xIn_yGa_1-x-yN层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。

进一步地，该衬底1为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者硅衬底。

由上述技术方案可知，虽然DBR结构中的Al_xIn_yGa_1-x-yN层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。

实施例三

参考图9，本实施例提供了一种GaN基LED外延片，包括具有图形化DBR结构的GaN衬底和在具有图形化DBR结构的GaN衬底上向上生长的N型GaN层5、多量子阱层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。其中，该具有图形化DBR结构的GaN衬底与前述实施例中具有图形化DBR结构的GaN衬底相同，在此不再赘述。

进一步地，N型GaN层5的载流子浓度为3×10¹⁸～15×10¹⁸/cm³（例如3×10¹⁸/cm³），N型GaN层5的厚度为3～4微米。

进一步地，该多量子阱层6为多周期结构，每一周期包括In_xGa_1-xN层和在In_xGa_1-xN层生长上的GaN层，0<x<1，例如，该多量子阱层6的多周期结构的周期数为9，每一周期包括In_0.16Ga_0.84N层和GaN层，In_0.16Ga_0.84N层的厚度为2.5nm，GaN的厚度为12nm。

在本实施例中，P型AlGaN层7可以为厚度为40nm的P型Al_0.15Ga_0.85N层。

P型接触层8的厚度可以为0.4μm。

由上述技术方案可知，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR层的反射效果，而且能减小在DBR层上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，包括衬底、在所述衬底上依次向上生长的GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN层和在所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层上的GaN层，其中0<x<1，0<y<1，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm，其特征在于，所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。

2.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形。

3.如权利要求2所述的衬底，其特征在于，所述图形结构为长方体结构、多棱锥结构、多棱柱结构、多棱台结构、圆锥结构、圆柱结构、或圆台结构。

4.如权利要求2或3所述的衬底，其特征在于，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5～20微米。

5.如权利要求4所述的衬底，其特征在于，任意两个所述图形结构之间的距离为1～30微米。

6.如权利要求5所述的衬底，其特征在于，所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和所述GaN层的厚度均40～100纳米。

7.如权利要求6所述的衬底，其特征在于，所述多周期结构的周期数为10～60。

8.一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次向上生长GaN成核层和未掺杂GaN层；

在所述未掺杂GaN层上向上生长DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括Al_xIn_yGa_1-x-yN层和在所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层上的GaN层，其中0<x<1，0<y<1，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm；

对所述DBR层进行蚀刻，使所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5～20微米。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，任意两个所述图形结构之间的距离为1～30微米。

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