CN104253179A - 一种GaN基LED外延片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED外延片的制备方法，该方法包括：在蓝宝石平面衬底上生长一层u-GaN层材料；在所述u-GaN层材料上依次生长InGaAlN多层结构，其中所述InGaAlN多层结构包括n型GaN层，p型GaN层以及位于n型层和p型层之间的多量子阱发光层。其中采用湿法粗化法对所述u-GaN层或n型GaN层进行粗化，达到提高光提取效率的目的，并且降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，具体涉及一种GaN基LED外延片的制备方法。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种低压直流驱动的电致发光固态光源，它具有色纯度高，响应速度快，体积小，可靠性好，环保等优点。近几年来，LED无疑成为最受重视的光源技术之一。
目前，一般采用蓝宝石衬底的外延片来制备高效率的GaN基LED。如何提高GaN基LED的发光效率是一直以来的研究重点。LED的发光效率主要有两方面因素：内量子效应和外量子效应。随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，GaN基LED的内量子效率已经有了非常大的提高。因此，进一步大幅度提高内量子效率的可能性不大。而相对于内量子效率，普通GaN基LED的外量子效率较低，这是由于GaN与空气的折射率相差很大，GaN与空气界面的全反射临界角较小，在有源区产生的光仅有一小部分可以射出到空气中。通过透明接触层、倒金字塔结构、倒装芯片、垂直结构、表面粗化、布拉格反射层（DBR）结构、光子晶体及蓝宝石图形化衬底（Patterned Sapphire Substrate，简称PSS）技术能够有效的提高芯片的光提取效率。PSS技术和表面粗化技术是目前普遍被看好的技术。PSS技术具有能够降低外延层应力，改善晶体生长性能，增加GaN/蓝宝石接触面逸出角等优势，但是PSS对图像的规则度要求很高，如果制作出的图形高低有差异，反而会影响外延质量，造成外延缺陷。并且因为蓝宝石衬底比较坚硬，无论是干法刻蚀还是湿法刻蚀，整片图形做好一致性、均匀性都有一定的难度，制作过程对设备和工艺要求很高，导致成本偏高。表面粗化分为湿法粗化和干法粗化两种，干法粗化是通过掩膜掩蔽，采用ICP刻蚀GaN材料表面达到粗糙化的效果，但干法粗化存在无法准确控制掩膜尺寸和均匀性的缺点，导致表面粗化的效果不一致，光提取效率的提高不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种氮化镓基LED外延片的制备方法，该方法能提高光提取效率，并且降低生产成本。
为了解决本发明的技术问题，本发明的一个实施例提供一种氮化镓基LED外延片的制备方法，该方法包括在蓝宝石平面衬底上生长一层u-GaN层材料，该方法还包括在所述u-GaN层材料上依次生长InGaAlN多层结构，其中所述InGaAlN多层结构包括n型GaN层，p型GaN层以及位于n型层和p型层之间的多量子阱发光层，其中采用湿法粗化法对所述u-GaN层或n型GaN层进行粗化。
优选的，所述湿法粗化方法为化学腐蚀法 。
优选的，所述化学腐蚀法的腐蚀液为下列酸性溶液的至少一种：H2SO4、HF、HCL、H3PO4、HNO3、CH3COOH。
优选的，所述化学腐蚀法的腐蚀液为下列碱性溶液的至少一种：KOH、NaOH、NH4OH。
本发明的另一个实施例中，所述湿法粗化法为光电化学氧化和蚀刻法。
优选的，所述光电化学氧化和蚀刻法为在具有水溶液系统，照明系统以及电偏置系统中执行，水溶液为氧化剂与酸溶液的组合，照明系统为紫外灯系统。
优选的，所述光电化学氧化和蚀刻法的氧化剂为下列溶液的至少一种：H2O2、K2S2O8。
优选的，所述光电化学氧化和蚀刻法的酸溶液为下列溶液的至少一种：H2SO4、HF、HCL、H3PO4、HNO3、CH3COOH。
本发明还提供一种GaN基LED外延片，其结构自下而上依次为蓝宝石衬底、低温GaN缓冲层、u-GaN层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型掺杂GaN层、p型氮化镓层、高掺杂的p-型GaN电极接触层，其特征在于所述u-GaN层或n型氮化镓层经过湿法粗化处理，粗化后表面形成一层多孔洞结构。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明提供一种氮化镓基LED外延片的制备方法，该方法通过对在平片上生长的u-GaN层或n型GaN层进行湿法粗化处理，使LED外延片的外量子效率提高，从而提高LED的出光效率。本发明制得的LED其出光效率接近PSS生产的LED，其生产工艺比较简单，降低了生产成本。
附图说明
图1是外延片主要结构示意图：
101：蓝宝石衬底；
102：低温GaN缓冲层；
103：u-GaN层；
104：多孔洞结构；
105：n型氮化镓层；
106：多量子阱层；
107：p型掺杂GaN层；
108：p型氮化镓层；
109：高掺杂的p-型GaN电极接触层。
具体实施方式
实施例1
提供一种氮化镓基LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
将（0001）晶向的无图形化的蓝宝石衬底放入MOCVD反应室中，然后在H2环境中升温至1050℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。降温至550℃，保持压强为500乇，生长一层厚度为20nm的低温GaN缓冲层。升温至1050℃，生长1um厚的u-GaN层。从反应室中取出，用化学腐蚀法对 u-GaN层进行粗化处理，腐蚀液为KOH，腐蚀液温度为100℃，腐蚀时间为120S，腐蚀后的u-GaN层的上表面形成深度为0.2um的多孔洞结构。放入MOCVD反应室内，升温至1050℃，保持压强为200乇，在粗化后的u-GaN层上生长3um厚的n型GaN层。在N2环境中生长12个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为13nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为760℃。升温至1000℃生长60nm厚的p型掺杂GaN层。降温至980℃生长160nm厚的p型GaN层。继续生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层。降至室温，生长结束。
本实施例制备的氮化镓基LED外延片的光提取效率比平片不粗化的LED外延片高50%。
实施例2
提供一种氮化镓基LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
采用氢化物气相外延（Hydride Vapor Phase Epitaxy,简称HVPE）生长技术在蓝宝石衬底上依次生长一层厚度为20nm的低温GaN缓冲层和1um厚的u-GaN缓冲层。然后采用光电化学氧化和蚀刻法对u-GaN层进行粗化。光电化学氧化和蚀刻处理在具有水溶液系统，照明系统以及电偏置系统中执行，水溶液为氧化剂H2O2与酸溶液H2SO4的组合，照明系统为紫外灯系统，照明以小于200mw/cm2的强度暴露在u-GaN层上，电压控制在-10与+10V之间。粗化后的u-GaN层的上表面形成深度为0.5um的多孔洞结构。放入MOCVD反应室内，升温至1050℃，保持压强为200乇，在粗化后的u-GaN层上生长3um厚的n型GaN层。在N2环境中生长12个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为13nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为760℃。升温至1000℃生长60nm厚的p型掺杂GaN层。降温至980℃生长160nm厚的p型GaN层。继续在980℃生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层。降至室温，生长结束。
本实施例制备的氮化镓基LED外延片的光提取效率比平片不粗化的LED外延片光提取效率有所提高。
实施例3
提供一种氮化镓基LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
采用刻蚀法依次刻蚀掉LED外延报废片上的p型层和发光层，并保留表面平整的n型层。用化学腐蚀法对 n型层进行粗化处理，腐蚀液为KOH，腐蚀液温度为100℃，腐蚀时间为120S，腐蚀后的n型层的上表面形成深度为0.2um的多孔洞结构。放入MOCVD反应室内，在N2环境中生长12个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为13nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为760℃。升温至1000℃生长60nm厚的p型掺杂GaN层。降温至980℃生长160nm厚的p型GaN层。继续在980℃生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层。降至室温，生长结束。
本实施例制备的氮化镓基LED外延片的光提取效率比平片不粗化的LED外延片光提取效率显著提高，并降低了生产成本。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种GaN基LED外延片的制备方法，包括：
在蓝宝石平面衬底上生长一层u-GaN层材料；
在所述u-GaN层材料上依次生长InGaAlN多层结构，其中所述InGaAlN多层结构包括n型GaN层，p型GaN层以及位于n型层和p型层之间的多量子阱发光层；
其特征在于采用湿法粗化法对所述u-GaN层或n型GaN层进行粗化。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于采用化学腐蚀法进行粗化。
3.根据权利要求2所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于化学腐蚀液包括但不限于下列酸性溶液的至少一种：H2SO4、HF、HCL、H3PO4、HNO3。
4.根据权利要求2所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于化学腐蚀液包括但不限于下列碱性溶液的至少一种：KOH、NaOH、NH4OH。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于采用光电化学氧化和蚀刻法进行粗化。
6. 根据权利要求5所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于光电化学氧化和蚀刻处理在具有水溶液系统，照明系统以及电偏置系统中执行，水溶液为氧化剂与酸溶液的组合，照明系统为紫外灯系统。
7.根据权利要求6所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于氧化剂包括但不限于下列溶液的至少一种：H2O2、K2S2O8。
8.根据权利要求6所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于酸溶液包括但不限于下列溶液的至少一种：H2SO4、HF、HCL、H3PO4、HNO3、CH3COOH。
9.一种使用GaN基LED外延片的制备方法制备的GaN基LED外延片，其结构自下而上依次为蓝宝石衬底、低温GaN缓冲层、u-GaN层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型掺杂GaN层、p型氮化镓层、高掺杂的p-型GaN电极接触层，其特征在于所述u-GaN层或n型氮化镓层经过湿法粗化处理，粗化后表面形成一层多孔洞结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141231 |