CN104409580B - 一种GaN基LED外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种GaN基LED外延片，所述外延片在层状方向由下至上包括蓝宝石衬底、催化剂层、石墨烯层、缓冲层、n‑GaN层、量子阱层、p‑AlGaN层和p‑GaN层。与传统GaN基LED外延片构建垂直结构LED时需采用激光剥离设备剥离蓝宝石基底相比，本发明的GaN基LED外延片采用胶带即可直接剥离蓝宝石基底，无需激光剥离设备，提高了剥离效率，且无损伤。

Description

一种GaN基LED外延片及其制备方法
技术领域
本发明属于LED领域，具体涉及一种GaN基LED外延片及其制备方法。
背景技术
目前GaN基LED多以蓝宝石为衬底，然而蓝宝石不导电且散热较差，制作的LED为平面结构（电极在同一侧，如图1所示），这种结构的LED发光面积小、易造成电流拥堵、散热差，这导致LED在大电流工作时效率低、寿命短，因此需要大量芯片在小电流下工作来满足照明所需的光通量需求，这也是LED价格高的主要原因。为解决这些问题，人们将GaN基LED外延层由蓝宝石衬底转移到高热导率的衬底（Si、Ge以及Cu等衬底），获得垂直结构LED（电极在两侧，结构如图2所述），制备过程一般为：将GaN基LED外延片的p-GaN层通过晶片键合或电镀的方法与新衬底粘合在一起，再将蓝宝石剥离（一般采用激光剥离法），由于外延层与蓝宝石的结合强度非常高，无法通过普通胶带剥离法去掉，造成剥离效率低下。同时，激光剥离设备昂贵、效率低，而且激光很容易造成外延层的损伤使LED漏电或损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种蓝宝石衬底易剥离的GaN基LED外延片。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种GaN基LED外延片，所述外延片在层状方向由下至上包括蓝宝石衬底、催化剂层、石墨烯层、缓冲层、n-GaN层、量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层。
进一步，所述石墨烯层厚度为0.3-10nm。
进一步，所述催化剂层为Ga和/或In。
上述GaN基LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
（1）向外延生长设备通过入镓源和/或铟源，在温度为400～800℃下，在蓝宝石衬底上外延生长催化剂层；
（2）然后通过入碳源，在温度为900～1200℃下，在催化剂层上生长石墨烯层；
（3）再在石墨烯层上依次外延生长缓冲层、n-GaN层、量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层。
进一步，所述镓源为三甲基镓、三乙基镓、GaCl 或GaCl3。
进一步，所述铟源为三甲基铟、InCl和InCl3。
与传统GaN基LED外延片构建垂直结构LED时需采用激光剥离设备剥离蓝宝石基底相比，本发明的GaN基LED外延片的外延层与蓝宝石基底的粘着力<2N/25mm，可以使用一般的胶带轻松剥离，无需激光剥离设备，提高了剥离效率，且对外延层无任何损伤。
附图说明
图1为平面结构的GaN基LED。
图2为垂直结构的GaN基LED。
图3为本发明的GaN基LED。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的做进一步详细说明。
本发明所提供的GaN基LED外延片，在层状方向由下至上包括蓝宝石衬底、缓冲层、n-GaN层、量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层，在蓝宝石衬底与缓冲层之间增加了石墨烯层。
为便于石墨烯在蓝宝石衬底上的生长，优选在于蓝宝石上沉积一层催化剂，催化剂可选自但不限于金属Ga、In及其合金。
所述催化剂层厚度优选在50-2000 nm之间。
所述石墨烯层厚度优选为0.3-10nm。
所述GaN 缓冲层厚度优选在2～2000 nm 之间。
所述n-GaN层厚度优选在1000～3000 nm之间。
所述n-GaN层的电子浓度优选在1×1017～1×1019cm-3之间。
所述量子阱优选采用GaN/InGaN多量子阱，磊宽优选在5～20 nm之间，阱宽优选在1～5 nm之间，周期数优选为2～20个之间。
所述p-GaN层厚度优选在50～500 nm 之间。
所述p-GaN层的空穴浓度优选在1×1016～1×1019cm-3之间。
所述p-AlGaN层厚度优选在10 nm～100 nm 之间。
所述p-AlGaN 层的空穴浓度优选在1×1016～1×1019cm-3之间。
上述GaN基LED外延片的制备过程如下：
（1）在温度为400～800℃条件下，向生长设备中通入催化剂源在衬底上生长催化剂层。
（2）提高温度至900～1200℃，通入C源，在催化剂层上生长石墨烯层。
（3）将温度调整至500～1100℃之间，通入Ga源在石墨烯层上生长GaN缓冲层。
（4）将温度调整至1000～1300℃之间，通入Ga源和n型掺杂源在缓冲层上生长n-GaN层。
（5）控制Ga源和In源的流量，在n-GaN层上生长GaN/InGaN多量子阱层，磊宽在5～20 nm之间，阱宽在1～5 nm之间，周期数为2～20个，磊生长温度为700～900℃之间，阱生长温度为500～900℃之间。
（6）通入Ga源和Al源和p型掺杂源，在量子阱层上生长p-AlGaN层，生长温度为700～1000℃。
（7）通入Ga源和p型掺杂源，在p-AlGaN层上生长p-GaN层，生长温度为700℃～1000℃。
所述生长设备可选自金属有机化学气相沉积设备、化学束外延设备、分子束外延设备、氢化物气相外延设备中的任意一种。
所述催化剂源可选自但不限于三甲基镓、三乙基镓、GaCl 和GaCl3 、三甲基铟、InCl和InCl3中的任意一种或两种以上的组合；
所述C源可选自但不限于CH4、C2H2、乙醇、甲醇等；
所述Ga 源可选自但不限于三甲基镓、三乙基镓、GaCl 和GaCl3 中的任意一种或两种以上的组合；
所述In 源可选自但不限于三甲基铟、InCl和InCl3中的任意一种或两种以上的组合；
所述Al源可选自但不限于三甲基铝、三乙基铝 和AlCl3中的任意一种或两种以上的组合；
所述N 源可选自但不限于NH3 和/或N2；
所述n型掺杂源可选自但不限于硅烷、四氯化硅和乙硅烷中的任意一种或两种以上的组合；
所述p型掺杂源可选自但不限于二茂镁、Mg 和Mg3N2中的任意一种或两种以上的组合。
现有技术对LED外延结构中的缓冲层以上各层的外延生长方法已有很多的介绍，本发明也可按现有方法外延生长缓冲层以上各层。
图3为本发明所得GaN基LED外延片的结构示意图，其中，1、蓝宝石衬底；2、催化剂层；3、石墨烯；4、GaN缓冲层；5、n-GaN层；6、GaN/InGaN多量子阱层；7、p-AlGaN层；8、p-GaN层。
实施例1下面给出使用Veeco公司的K465i MOCVD系统生长易剥离GaN基LED外延片的实例
（1）在温度为500℃条件下，向生长设备中通入三甲基镓在衬底上生长催化剂层。
（2）提高温度至1050℃，通入CH4，在催化剂层上生长石墨烯层。
（3）将温度调整至1100℃之间，通入三甲基镓在石墨烯层上生长GaN缓冲层。
（4）将温度调整至1240℃之间，通入三甲基镓和SiH4在缓冲层上生长n-GaN层。
（5）控制三乙基镓和三甲基铟的流量，在n-GaN层上生长GaN/InGaN多量子阱层，磊宽在5～20 nm之间，阱宽在1～5 nm之间，周期数为2～20个，磊生长温度为750℃左右，阱生长温度为850℃左右。
（6）通入三甲基镓、三甲基铝和二茂镁，在量子阱层上生长p-AlGaN层，生长温度为950℃。
（7）通入三甲基镓和二茂镁，在p-AlGaN层上生长p-GaN层，生长温度为950℃。

Claims (3)

1.GaN基LED外延片的制备方法，所述外延片在层状方向由下至上包括蓝宝石衬底、催化剂层、石墨烯层、缓冲层、n-GaN层、量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层，包括如下步骤：
（1）向外延生长设备通入镓源和/或铟源，在温度为400～800℃下，在蓝宝石衬底上外延生长催化剂层；
（2）然后通入碳源，在温度为900～1200℃下，在催化剂层上生长石墨烯层；
（3）再在石墨烯层上依次外延生长缓冲层、n-GaN层、量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层，
所述碳源为CH4、C2H2、乙醇或甲醇。
2.根据权利要求1所述GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于，所述镓源为三甲基镓、三乙基镓、GaCl 或GaCl3。
3.根据权利要求1所述GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于，所述铟源为三甲基铟、InCl和InCl3。
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