CN105633232B - 一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaN缓冲层衬底、N‑GaN层、多量子阱层和P‑GaN层；所述GaN缓冲层衬底是利用HVPE法在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层；所述GaN缓冲层的厚度3‑10μm。本发明通过采用HVPE法在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长一层GaN缓冲层作为衬底放入MOCVD反应室内直接生长N‑GaN层、多量子阱层和P‑GaN层，与传统蓝宝石、Si或SiC衬底相比，不需要生长GaN缓冲层，可以节省MOCVD程序时间，提高设备利用率，降低GaN基LED的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
近年来，以GaN、InN、AlN及其三元系和四元系材料为主的宽禁带I I I-V族半导体材料的迅猛发展使得高亮度发光二极管实现了从绿光到近紫外产品的商品化。氮化物半导体材料优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，成为GaN基激光器、发光二极管等光电子器件的优选材料。而由于GaN衬底生长困难，缺乏晶格匹配的衬底，三组氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底包括蓝宝石、SiC、砷化镓及Si衬底等。
蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，普遍采用以蓝宝石作为衬底进行GaN基LED的生长。
但是，蓝宝石与GaN材料晶格常数相差约15％，热膨胀系数和化学性质也相差较大。大的失配使在蓝宝石衬底上生长的氮化物外延层缺陷密度较大(达109-1012cm-2)，从而影响器件的寿命和发光效率；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，因此导热性能也是一个非常重要的考虑因素，而蓝宝石的导热性能不好，在100℃约为25W/(m·K)。
近年来，由于SiC是宽带隙半导体材料，与Si衬底相比有诸多优势，如SiC器件的工作温度可高达600℃，而Si器件的最高温度局限在175℃，此外SiC衬底与GaN的晶格失配和热失配相对蓝宝石较小，且化学稳定性好、不吸收可见光，优异的导电性能和导热性能可以较好的解决功率型GaN LED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占很重要地位。但SiC作为GaN基LED衬底，其不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差，且尽管SiC材料与GaN材料的晶格匹配和热膨胀系数相差较小，但在MOCVD生长过程中，仍需首先在衬底上沉积GaN缓冲层以保证GaN基LED的结晶质量，因此而使得GaN基LED工艺生长时间很长，工艺成本高居不下。
中国专利文献CN101771120A公开了一种SiC或Si衬底GaN基晶体的结构及其生长方法，通过在衬底与N-GaN层之间插入具有3-5个三维和二维循环的AlN缓冲层得到更厚的无裂纹的全结构LED。该方法利用MOCVD三维和二维循环谐振生长，工艺比较复杂，而且由于生长机制的限制，MOCVD生长AlN缓冲层速率很低，因此要花费较长时间，MOCVD设备价格极为昂贵，生长AlN缓冲层的时间增加了设备折旧在单片外延片成本的比例。另外MOCVD生长AlN缓冲层的原材料成本也很高，导致GaN LED外延成本居高不下。
中国专利文献CN101060076公开了一种高晶体质量的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法，该方法以蓝宝石、Si或SiC为衬底，先经衬底高温氮化后，依次高温生长AlN成核层、GaN成核层及GaN外延层，生长出平整表面。继续外延GaN生长时采用原位金属掺杂，随后又采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法生长GaN过渡层，最后生长出表面光滑、高结晶质量的GaN外延层。该方法在工艺上复杂且实行起来较难，且在MOCVD生长过程中在底层生长时间过长，极大增加了工艺成本。
中国专利CN102465334A涉及一种氮化镓(GaN)基LED外延层生长的方法，该方法主要包括在MOCVD反应室生长GaN缓冲层；在HVPE中对缓冲层作退火处理；利用HVPE生长厚膜GaN；在厚膜GaN上生长N型GaN；在MOCVD反应室中生长多量子阱结构和P型GaN。中国专利CN102465334A中提到先是在MOCVD中生长20-40nm的缓冲层，然后在HVPE中进行退火处理，并生长GaN厚膜及N型GaN，最后再转为在MOCVD中生长MQW及P型GaN。对比其专利采用MOCVD和HVPE交叉使用，虽然在MOCVD中的生长时间得到减少，但在实际应用过程中总体的生长时间很长，且操作较繁琐复杂，又在HVPE中生长10-50um的非掺的GaN以及2-5um的N型GaN，通过HVPE生长的N型GaN薄膜相比MOCVD生长的N型GaN要差很多，N型GaN薄膜的质量在LED结构中至关重要，所以利用HVPE生长N型GaN会严重影响其发光特性。本专利是利用HVPE在衬底上直接生长3-10um的GaN缓冲层并作为一种新型衬底用于MOCVD中进行LED结构的生长，实际应用操作上简单方便，且能保证LED结构良好的发光特性。
中国专利CN01431017B公开了改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方法：采用HVPE工艺，包括下述步骤：1)采用的衬底是蓝宝石或Si，2)将上述衬底经过清洗、吹干后，放入HVPE生长系统中，先生长低温GaN缓冲层，缓冲层生长温度550-750℃，生长时间30-300s；3)将生长温度升高至850-950℃，在该温度下进行GaN生长，时间30-300s；4)维持步骤3生长条件开始升温生长，直到生长温度提升至1050-1100℃，继续进行GaN的HVPE生长，直到得到所需厚度的GaN薄膜；5)生长完成后缓慢降温至室温，降温速率不高于10℃/分钟。与本发明的技术区别点：专利CN01431017B中提到衬底使用上仅用蓝宝石和Si，另外专利CN102465334A的主要重点在于利用HVPE生长一种完整的GaN厚层，且权利说明书中说明厚度在50um以上；本专利中的衬底除蓝宝石和Si衬底外还可以使用SiC，且本专利的重点在于为LED结构提供一种新型的衬底，主要目的是在利用MOCVD生长LED结构时节约成本和提高晶体质量，且本专利在利用HVPE生长GaN缓冲层厚度近需很薄的一层，在3-10um之间即可。与本发明的应用区别点、技术缺点：专利CN01431017B在应用上仅是保持一种在蓝宝石或Si衬底上GaN的完整性的问题；本专利的应用方面为生长LED结构，侧重点完全不同。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构。
本发明还提供一种上述外延结构的制备方法。
术语解释：
1、MOCVD：Metal Organic Chemical Vapour Deposition，金属有机物化学气相沉积；
2、HVPE：Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延。
本发明的技术方案如下：
一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaN缓冲层衬底、N-GaN层、多量子阱层和P-GaN层；
所述GaN缓冲层衬底是利用HVPE法在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层；
所述GaN缓冲层的厚度3-10μm。
根据本发明优选的，所述多量子阱层是由阱层和垒层周期性交替叠加构成，所述量子阱的周期为8-15个。
如上述一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用HVPE法在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长厚度为3-10μm的GaN缓冲层作为GaN缓冲层衬底；
(2)将步骤(1)所述GaN缓冲层衬底放入MOCVD反应室中，通入NH3，其中NH3流量为30-100L/min，通入时间为2-5min；所述MOCVD反应室内温度为1000℃-1200℃，在GaN缓冲层衬底上直接生长2-4μm厚的N-GaN层；
(3)按现有技术的常规方法在700-800℃的温度下，在N-GaN层上生长厚度为120-200nm的多量子阱层，其中，阱层厚度2.5-3.5nm，垒层厚度10-15nm；
(4)按现有技术的常规方法在800-900℃的温度下，在所述多量子阱层上生长厚度为150-300nm的P-GaN层。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，首先将所述蓝宝石、Si或SiC衬底经过清洗、吹干后,放入HVPE生长系统中。
根据本发明优选的，在所述步骤(1)中，在所述HVPE生长系统中生长GaN缓冲层的过程如下：
首先调整：生长温度500-800℃，生长时间为50-300s；
随后调整，将生长温度升高至900-1100℃，生长时间50-300s，直至生长出厚度3-10μm的GaN缓冲层。
本发明通过采用HVPE法在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长一层GaN缓冲层作为衬底放入MOCVD反应室内直接生长N-GaN层、多量子阱层和P-GaN层，与传统蓝宝石、Si或SiC衬底相比，不需要生长GaN缓冲层，可以节省MOCVD程序时间，提高设备利用率，降低GaN基LED的成本。
本发明通过使用HVPE生长的3-10μm厚度的GaN缓冲层作为GaN基LED结构生长的新型衬底，利用MOCVD技术直接在GaN缓冲层新型衬底上沉积N-GaN层，而不是像蓝宝石、Si或是SiC衬底需要沉积GaN缓冲层，有效的减少了位错密度，提高了晶体质量，不仅缩短了工艺生长时间，降低了工艺成本，同时也大大提高了GaN基LED的发光效率。
本发明的有益效果：
本发明无需在衬底与N-GaN层之间生长缓冲层，解决了由于生长机制的限制，造成MOCVD生长GaN缓冲层速率低、生长时间长的问题；
其次，MOCVD设备价格极为昂贵，生长GaN缓冲层的时间增加了设备折旧在单片外延片成本的比例；另外MOCVD生长GaN缓冲层的原材料成本也很高，导致GaN基LED外延成本居高不下等问题。
有效的减少了位错密度，提高了晶体质量，不仅缩短了工艺生长时间，降低了工艺成本，同时也大大提高了GaN基LED的发光效率。
本发明的重点在于为LED结构提供一种新型的衬底用于生长LED结构，主要目的是在利用MOCVD生长LED结构时节约成本和提高晶体质量，且本发明在利用HVPE生长GaN缓冲层厚度仅3-10um，无需考虑在蓝宝石或Si衬底上GaN的完整性的问题。
附图说明
图1是现有蓝宝石、Si或SiC衬底GaN基LED的结构示意图。图中：1、衬底；2、GaN缓冲层；3、N-GaN层；4、多量子阱层；5、P-GaN层。
图2是本发明利用HVPE提供的GaN缓冲层新型衬底通过MOCVD生长的GaN基LED全结构的PL光谱图。图中横坐标为利用HVPE提供的新型衬底生长的LED全结构的发出光的波长长度，纵坐标为所发出波长对应的幅值，图2可以说明我们所设计生长的LED全结构所发出的光波长均匀性较好，且较集中。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
如图1-2所示。
实施例1、
一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaN缓冲层衬底、N-GaN层3、多量子阱层4和P-GaN层5；
所述GaN缓冲层衬底是利用HVPE法在蓝宝石衬底1上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层2；
所述GaN缓冲层2的厚度3μm。
所述多量子阱层4是由阱层和垒层周期性交替叠加构成，所述量子阱的周期为8-15个。
实施例2、
如实施例1所述一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用HVPE法在蓝宝石衬底1上生长厚度为3μm的GaN缓冲层2作为GaN缓冲层衬底；
(2)将步骤(1)所述GaN缓冲层衬底放入MOCVD反应室中，通入NH3，其中NH3流量为40L/min，通入时间为2-5min；所述MOCVD反应室内温度为1050℃，在GaN缓冲层衬底上直接生长2-4μm厚的N-GaN层3；
(3)按现有技术的常规方法在710℃的温度下，在N-GaN层3上生长厚度为180nm的多量子阱层4，其中，阱层厚度2.5nm，垒层厚度12.5nm；
(4)按现有技术的常规方法在850℃的温度下，在所述多量子阱层4上生长厚度为200nm的P-GaN层5。
实施例3、
如实施例2所述的一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构的制备方法，其区别在于，所述步骤(1)中，首先将所述蓝宝石衬底经过清洗、吹干后,放入HVPE生长系统中；
在所述步骤(1)中，在所述HVPE生长系统中生长GaN缓冲层的过程如下：
首先调整：生长温度500-800℃，生长时间为50-300s；
随后调整，将生长温度升高至900-1100℃，生长时间50-300s，直至生长出厚度3-10μm的GaN缓冲层。
实施例4、
一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaN缓冲层衬底、N-GaN层3、多量子阱层4和P-GaN层5；
所述GaN缓冲层衬底是利用HVPE法在Si衬底1上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层2；
所述GaN缓冲层2的厚度10μm。
所述多量子阱层4是由阱层和垒层周期性交替叠加构成，所述量子阱的周期为8-15个。
实施例5、
如实施例4所述一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用HVPE法在Si衬底1上生长厚度为10μm的GaN缓冲层2作为GaN缓冲层衬底；
(2)将步骤(1)所述GaN缓冲层衬底放入MOCVD反应室中，通入NH3，其中NH3流量为40L/min，通入时间为2-5min；所述MOCVD反应室内温度为1100℃，在GaN缓冲层衬底上直接生长2-4μm厚的N-GaN层3；
(3)按现有技术的常规方法在730℃的温度下，在N-GaN层3上生长厚度为200nm的多量子阱层4，其中，阱层厚度3.5nm，垒层厚度12.5nm；
(4)按现有技术的常规方法在900℃的温度下，在所述多量子阱层4上生长厚度为220nm的P-GaN层5。
实施例6、
一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaN缓冲层衬底、N-GaN层3、多量子阱层4和P-GaN层5；
所述GaN缓冲层衬底是利用HVPE法在SiC衬底1上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层2；
所述GaN缓冲层2的厚度4μm。
所述多量子阱层4是由阱层和垒层周期性交替叠加构成，所述量子阱的周期为8-15个。
实施例7、
如实施例6所述一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用HVPE法在SiC衬底1上生长厚度为4μm的GaN缓冲层2作为GaN缓冲层衬底；
(2)将步骤(1)所述GaN缓冲层衬底放入MOCVD反应室中，通入NH3，其中NH3流量为50L/min，通入时间为2-5min；所述MOCVD反应室内温度为1080℃，在GaN缓冲层衬底上直接生长2-4μm厚的N-GaN层3；
(3)按现有技术的常规方法在800℃的温度下，在N-GaN层3上生长厚度为200nm的多量子阱层4，其中，阱层厚度3nm，垒层厚度15nm；
(4)按现有技术的常规方法在880℃的温度下，在所述多量子阱层4上生长厚度为230nm的P-GaN层5。
Claims (2)
1.一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构的制备方法，其中，具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的GaN缓冲层衬底、N-GaN层、多量子阱层和P-GaN层；所述GaN缓冲层衬底是利用HVPE法在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长的非故意掺杂的GaN缓冲层；所述GaN缓冲层的厚度3-10μm；所述多量子阱层是由阱层和垒层周期性交替叠加构成，所述量子阱的周期为8-15个；其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)利用HVPE法在蓝宝石、Si或SiC衬底上生长厚度为3-10μm的GaN缓冲层作为GaN缓冲层衬底；
(2)将步骤(1)所述GaN缓冲层衬底放入MOCVD反应室中，通入NH3，其中NH3流量为30-100L/min，通入时间为2-5min；所述MOCVD反应室内温度为1000℃-1200℃，在GaN缓冲层衬底上直接生长2-4μm厚的N-GaN层；
(3)按现有技术的常规方法在700-800℃的温度下，在N-GaN层上生长厚度为120-200nm的多量子阱层，其中，阱层厚度2.5-3.5nm，垒层厚度10-15nm；
(4)按现有技术的常规方法在800-900℃的温度下，在所述多量子阱层上生长厚度为150-300nm的P-GaN层；
在所述步骤(1)中，在所述HVPE生长系统中生长GaN缓冲层的过程如下：
首先调整：生长温度500-800℃，生长时间为50-300s；
随后调整，将生长温度升高至900-1100℃，生长时间50-300s，直至生长出厚度3-10μm的GaN缓冲层。
2.根据权利要求1所述的一种具有GaN缓冲层衬底的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，首先将所述蓝宝石、Si或SiC衬底经过清洗、吹干后,放入HVPE生长系统中。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |