CN105789393A - 高发光效率led外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高发光效率LED外延片，包括：一蓝宝石衬底；一低温成核层，其制作在蓝宝石衬底上；一高温非掺杂GaN层，其制作在低温成核层上；一高温n型GaN层，其制作在高温非掺杂GaN层上；一表面修复层，其制作在高温n型GaN层上；一多量子阱发光层结构，其制作在表面修复层上；一p型GaN层，其制作在多量子阱发光层结构上。本发明是通过插入一层GaN表面修复层，并优化表面修复层的生长参数，修复降温过程中由于GaN分解引起的表面损伤，使量子阱生长在光滑的GaN表面上，提高量子阱的界面质量，减少多量子阱区的缺陷密度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是一种高发光效率LED外延片及其制备方法。
背景技术
GaN基材料也称为III族氮化物材料(包括InN、GaN、A1N、InGaN、AlGaN等，其禁带宽度范围为0.7-6.2eV)，其光谱覆盖了近红外到深紫外波段，被认为是继Si、GaAs之后的第三代半导体，在光电子学领域有重要的应用价值，尤其以InGaN低维结构为有源区的GaN基半导体激光器可以实现紫光、蓝光和绿光激光发射，具有独特的优势。InGaN/GaN多量子阱作为发光层，是发光器件的核心结构。为了提高GaN基半导体激光器及发光二极管的发光效率，制备高质量的InGaN/GaN多量子阱是极其重要的。一般情况下，为了制备发光器件，InGaN/GaN多量子阱是生长在n型GaN层上，所以底层GaN的表面粗糙度会严重影响到InGaN量子阱的界面，尤其是阱垒同温生长的多量子阱层，其垒层生长温度较低，不能实现表面修复的功能。所以生长在多量子阱层下面的GaN层，表面粗糙度要尽可能低。通常情况下，n型GaN采用1000℃以上的高温生长，表面平滑。然而这个温度远高于InGaN/GaN多量子阱区的生长温度，所以在生长量子阱之前，样品需经历从1000℃降温的过程，而此过程一般是中断生长的，这势必会导致n型GaN层分解，使表面粗糙度增加，同时可能形成较多的缺陷。而根据材料生长经验，无论是InGaN/GaN多量子阱的界面差还是量子阱区附近的缺陷多都会使发光效率显著下降。
发明内容
本发明主要目的是提供一种高发光效率的LED外延片及其制备方法，其是通过插入一层GaN表面修复层，并优化表面修复层的生长参数，修复降温过程中由于GaN分解引起的表面损伤，使量子阱生长在光滑的GaN表面上，提高量子阱的界面质量，减少多量子阱区的缺陷密度。
本发明提出一种高发光效率LED外延片，包括：
一蓝宝石衬底；
一低温成核层，其制作在蓝宝石衬底上；
一高温非掺杂GaN层，其制作在低温成核层上；
一高温n型GaN层，其制作在高温非掺杂GaN层上；
一表面修复层，其制作在高温n型GaN层上；
一多量子阱发光层结构，其制作在表面修复层上；
一p型GaN层，其制作在多量子阱发光层结构上。
本发明还提出一种高发光效率LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述蓝宝石衬底的表面；
步骤2：将温度下降到500-620℃，在蓝宝石衬底上生长低温成核层，为后续生长材料提供成核中心；
步骤3：在低温成核层上外延生长高温非掺杂GaN层，为后续材料生长的模板；
步骤4：在高温非故意掺杂的GaN层上生长高温n型GaN层；
步骤5：降低温度至800-950℃，在高温n型GaN层上外延生长表面修复层，修复高温n型GaN层在降温过程中产生的表面损伤；
步骤6：在表面修复层上外延生长多量子阱发光层结构；
步骤7：在多量子阱发光层结构上外延生长p型GaN层，完成制备。
6、根据权利要求5所述的高发光效率LED外延片的制备方法，其中低温成核层的材料为GaN，生长温度为500-620℃，厚度为20-30nm。
本发明通过插入一层GaN表面修复层，并优化修复层的生长参数，修复降温过程中由于GaN分解引起的表面损伤，使量子阱生长在光滑的GaN表面上，提高量子阱的界面质量，减少量子阱区的缺陷密度，从而提高LED的发光效率。
此外，插入GaN表面修复层，由于量子阱界面粗糙度减小，可以减弱由于量子阱厚度起伏及In组分分布不均匀导致的局域化能量变化，降低自发发光谱的半高宽，为制备高性能的GaN基激光器奠定基础。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1本发明提供的高发光效率LED外延片的结构示意图。
图2是本发明提供的高发光效率LED外延片的制备方法流程图。
图3是本发明提供的高发光效率LED外延片与常规LED外延片的PL谱。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种高发光效率LED外延片，包括：
一蓝宝石衬底10；
一低温成核层11，其制作在蓝宝石衬底10上，所述低温成核层11的材料为GaN，生长温度为500-620℃，厚度为20-30nm；
一高温非掺杂GaN层12，其制作在低温成核层11上，该非掺杂GaN层的厚度为1-2μm，生长温度为1000-1050℃；
一高温n型GaN层13，其制作在高温非掺杂GaN层12上，该高温n型GaN层中的自由电子浓度为1×1017-1×1019cm-3，生长温度为1000-1050℃；
一表面修复层14，其制作在高温n型GaN层13上，所述表面修复层14是由单层GaN或者生长温度不同的多层GaN组成，也可以采用少量掺In的InGaN材料，该表面修复层14的生长温度为800-950℃，厚度为5-20nm；如果采用生长温度不同的多层GaN时，沿生长方向各GaN层的生长温度逐渐降低；
一多量子阱发光层结构15，其制作在表面修复层14上，所述多量子阱发光层结构15的材料为InGaN/GaN，其包括InGaN阱层和GaN垒层，所述InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃；
一p型GaN层16，其制作在多量子阱发光层结构15上，所述的p型GaN层16的厚度为0.1-1μm，自由空穴浓度为1×1017-1×1019cm-3。
请参阅图2，并结合参阅图1所示，本发明提供一种高发光效率LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底10在氢气气氛里进行退火，清洁所述蓝宝石衬底10的表面；
步骤2：将温度下降到500-620℃，在蓝宝石衬底10上生长低温成核层11，为后续生长材料提供成核中心，所述低温成核层11的材料为GaN，厚度为20-30nm；
步骤3：在低温成核层11上外延生长高温非掺杂GaN层12，为后续材料生长的模板，该非掺杂GaN层的厚度为1-2μm，生长温度为1000-1050℃；
步骤4：在高温非故意掺杂的GaN层12上生长高温n型GaN层13，所述的高温n型GaN层13中的自由电子浓度为1×1017-1×1019cm-3，生长温度为1000-1050℃；
步骤5：降低温度至800-950℃，在高温n型GaN层13上外延生长表面修复层14，修复高温n型GaN层13在降温过程中产生的表面损伤。按现有技术，高温n型GaN层13生长完后，需要中断生长并降温到量子阱的生长温度。在这个降温过程中，高温n型GaN层13会发生分解，表面粗糙度增加。这使得生长在其上面的量子阱层界面粗糙度增加，缺陷密度增加。界面粗糙度增加会导致量子阱中In组分分布不均匀，自发辐射谱半高宽增加，降低发光光谱的纯度。如果用在GaN基可见光激光器中，缺陷密度增加及界面粗糙度增加都会引起发光效率的下降，而自发辐射谱的半高宽增加会降低峰值增益，严重影响激光器阈值电流。我们通过插入表面修复层14，并优化表面修复层14的生长温度、生长速率及厚度，增加材料的横向生长速率，将底层缺陷覆盖，得到光滑的GaN表面，这样可以改善生长在其上面的量子阱层的界面质量，增加器件的发光效率，降低自发辐射谱的半高宽。所述表面修复层14由单层GaN或者生长温度不同的多层GaN组成，也可以采用少量掺In的InGaN材料，该表面修复层14的生长温度为800-950℃，厚度为5-20nm；如果采用生长温度不同的多层GaN时，沿生长方向各GaN层的生长温度逐渐降低。生长表面修复层14的载气可以采用氮气、氢气或氮氢混合气。
步骤6：在表面修复层14上外延生长多量子阱发光层结构15，所述多量子阱发光层结构15的材料为InGaN/GaN，其包括InGaN阱层和GaN垒层，所述InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃，多量子阱发光层结构15包括2-10个InGaN/GaN周期结构；
步骤7：在多量子阱发光层结构15上外延生长p型GaN层16，所述的p型GaN层16的厚度为0.1-1μm，自由空穴浓度为1×1017-1×1019cm-3，完成制备。
参阅图3所示，采用本发明方法生长的紫光LED外延片比常规方法生长的LED外延片(对比片)的发光强度高近3倍，波长在450-550nm的缺陷发光得到明显的抑制，说明量子阱区域发光效率提高，缺陷密度减少。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高发光效率LED外延片，包括：
一蓝宝石衬底；
一低温成核层，其制作在蓝宝石衬底上；
一高温非掺杂GaN层，其制作在低温成核层上；
一高温n型GaN层，其制作在高温非掺杂GaN层上；
一表面修复层，其制作在高温n型GaN层上；
一多量子阱发光层结构，其制作在表面修复层上；
一p型GaN层，其制作在多量子阱发光层结构上。
2.根据权利要求1所述的高发光效率LED外延片，其中低温成核层的材料为GaN，生长温度为500-620℃，厚度为20-30nm。
3.根据权利要求1所述的高发光效率LED外延片，其中表面修复层由单层GaN或者生长温度不同的多层GaN组成，其生长温度为800-950℃，厚度为5-20nm。
4.根据权利要求1所述的高发光效率LED外延片，其中多量子阱发光层结构的材料为InGaN/GaN，其包括InGaN阱层和GaN垒层，InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃。
5.一种高发光效率LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述蓝宝石衬底的表面；
步骤2：将温度下降到500-620℃，在蓝宝石衬底上生长低温成核层，为后续生长材料提供成核中心；
步骤3：在低温成核层上外延生长高温非掺杂GaN层，为后续材料生长的模板；
步骤4：在高温非故意掺杂的GaN层上生长高温n型GaN层；
步骤5：降低温度至800-950℃，在高温n型GaN层上外延生长表面修复层，修复高温n型GaN层在降温过程中产生的表面损伤；
步骤6：在表面修复层上外延生长多量子阱发光层结构；
步骤7：在多量子阱发光层结构上外延生长p型GaN层，完成制备。
6.根据权利要求5所述的高发光效率LED外延片的制备方法，其中低温成核层的材料为GaN，生长温度为500-620℃，厚度为20-30nm。
7.如权利要求5所述的高发光效率LED外延片的制备方法，其中所述的高温n型GaN层中的自由电子浓度为1×1017-1×1019cm-3，生长温度为1000-1050℃。
8.根据权利要求5所述的高发光效率LED外延片的制备方法，其中表面修复层由单层GaN或者生长温度不同的多层GaN组成，厚度为5-20nm。
9.根据权利要求5所述的高发光效率LED外延片的制备方法，其中多量子阱发光层结构的材料为InGaN/GaN，其包括InGaN阱层和GaN垒层，所述InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃。
10.如权利要求5所述的高发光效率LED外延片的制备方法，其中所述的p型GaN层的厚度为0.1-1μm，自由空穴浓度为1×1017-1×1019cm-3。
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