CN105932117B - 一种GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电子器件领域，具体为一种GaN基LED外延结构及其制备方法。GaN基LED外延结构包括在衬底上依次层叠的自组装GaN纳米棒、非故意掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、P型GaN层、P型GaN接触层。本发明在衬底和GaN层之间自组装生长GaN纳米柱，形成了底部具有纳米柱的外延片，一方面纳米柱能够减少由于晶格失配引起的位错、V形坑等缺陷，提高外延片的晶体质量，另一方面纳米柱结构可以看作是表面粗化层能够减少全内反射，提高光的出光效率。因此，底部具有GaN纳米柱的LED外延结构能够提高LED器件的光电性能。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体为一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。
目前蓝光GaN 基LED的内量子效率可达80％以上， 但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40％左右。制约外量子效率提高的主要因素是GaN界面与空气界面发生全内反射造成光的提取效率较低，这是因为 GaN 材料的折射率2.5，空气的折射率1，GaN与空气界面发生全反射的临界角是23.6°，即有源区产生的光只有少数能够逃逸出体材料。目前国内外主要采用分布布喇格反射层 (DBR) 、图形化衬底（PSS）、表面粗化和光子晶体等技术来提高芯片的光提取效率。DBR、光子晶体和PSS制作过程对设备和工艺要求很高，工艺相对复杂，导致成本偏高，而表面粗化技术采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺，也存在很大挑战。新型的一维核壳结构的纳米棒在减少外延片中的缺陷密度，提高内量子效率方面有很大优势，但是制备有序的核壳结构纳米棒工艺复杂，难度较高。
发明内容
本发明为了解决传统工艺在提高芯片的光提取效率方面工艺复杂、成本高的问题，提供了一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种GaN基LED外延结构，所述LED器件从下向上依次包括衬底、位于衬底上的自组装GaN纳米柱、位于GaN纳米柱上的非故意掺杂GaN层、位于非故意掺杂GaN层上的N型GaN层、位于N型GaN层上的多量子阱发光层、位于多量子阱发光层上的P型GaN层和位于P型GaN层上的P型GaN接触层。
上述的GaN基LED外延结构，所述衬底为蓝宝石、Si、SiC、GaN中的一种。
上述的一种GaN基LED外延结构，所述GaN纳米柱的高度为500-3000nm，直径为100-800nm，密度为107-109cm-2。
上述的一种GaN基LED外延结构，所述非故意掺杂GaN层为生长在GaN纳米柱上的平整的GaN薄膜。
上述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤10-20min，温度为1050-1200℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间10-50s；
S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度950-1050℃，生长厚度1-10nm，SiNx薄层为不连续的薄膜；
S3：通入TMG和NH3在AlN薄层上生长GaN种子层，N2作为载气，N2流量为4000-8000sccm，生长温度950-1050℃，生长时间为10s-50s，V/III比为10-50，GaN种子层优先生长在AlN薄层上不连续SiNx薄膜和没有覆盖SiNx的交汇处，覆盖SiNx薄膜的位置不会生长GaN种子层；
S4：通入TMG和NH3在GaN种子层上垂直生长GaN纳米柱，载气为N2和H2，N2和H2的比例是35:1-50:1，生长温度950-1050℃，V/III比为10-50，生长初始阶段通入微量的SiH4，SiH4附着于纳米柱的侧壁，能够抑制GaN的横向生长，有助于GaN的垂直生长；
S5：在GaN纳米柱上生长非故意掺杂GaN层，在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层，在N型GaN层上生长多量子阱发光层，在多量子阱发光层上生长P型GaN层，在P型GaN层上生长P型GaN接触层，最后得到GaN基LED外延结构。
该GaN基LED外延结构的制备方法可在MOCVD和MBE设备内完成。
上述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，非故意掺杂GaN层生长时采取横向生长的方式形成表面平坦的GaN层，生长厚度为2~4um，生长温度为950-1200℃，V/III比为500-5000。
本发明通过以上工艺，形成底部具有GaN纳米柱的LED外延结构。一方面纳米柱能够减少由于晶格失配引起的位错、V形坑等缺陷，提高外延片的晶体质量，另一方面纳米柱结构可以看作是表面粗化层，能够减少全内反射，提高光的出光效率。因此，底部具有GaN纳米柱的LED外延结构能够提高LED器件的光电性能。
附图说明
图1为现有技术中GaN基LED外延结构示意图。
图2为本发明中GaN基LED外延结构示意图。
图３为本发明中GaN基LED外延片制备的LED芯片结构示意图。
图中：1-衬底，2-GaN纳米柱，3-非故意掺杂GaN层，4-N型GaN层，5-多量子阱发光层，6-P型GaN层，7-N型电极，8-P型电极。
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作进一步说明。
图1为现有技术中GaN基LED 外延片的结构示意图，从下向上依次包括：蓝宝石衬底、GaN 成核层、非故意掺杂 GaN 层、N 型 GaN 层、多量子阱发光层、P 型 GaN 层和 P 型GaN 接触层。
图2为本发明中GaN基LED外延片的结构示意图，外延片结构包括衬底，本实施方式中衬底为蓝宝石衬底，在其他实施方式中也可以为其他衬底材料，如Si、SiC、GaN等；位于衬底上的自组装GaN纳米柱，GaN纳米柱的高度为500-3000nm，直径为100-800nm，密度为107-109cm-2；位于GaN纳米柱上的非故意掺杂GaN层，非故意掺杂GaN层为生长在GaN纳米柱上的平整的GaN薄膜；位于非故意掺杂 GaN 层上的N型GaN层；位于N型GaN 层上多量子阱发光层；位于多量子阱发光层上的P型GaN层；位于P型GaN层上的 P 型 GaN 接触层。
实施例一：
一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1：清洁蓝宝石衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤10min，温度为1050℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间10s；
S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度950℃，生长厚度1nm，SiNx薄层为不连续的薄膜；
S3：通入TMG和NH3在AlN薄层上生长GaN种子层，N2作为载气，N2流量为4000sccm，生长温度950℃，生长时间为10s，V/III比为10，GaN种子层优先生长在AlN薄层上不连续SiNx薄膜和没有覆盖SiNx薄膜的交汇处，覆盖SiNx薄膜的位置不会生长GaN种子层；
S4：通入TMG和NH3在GaN种子层上垂直生长GaN纳米柱，载气为N2和H2，N2和H2的比例是35:1，生长温度950℃，V/III比为10，生长的初始阶段通入微量的SiH4，SiH4附着于纳米柱的侧壁，能够抑制GaN的横向生长，有助于GaN的垂直生长；
S5：在GaN纳米柱上生长非故意掺杂GaN层，非故意掺杂GaN层生长时采取横向生长的方式形成表面平坦的GaN层，生长厚度为2um，生长温度为950℃，V/III比为500，在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层， 在N型GaN层上生长多量子阱发光层，在多量子阱发光层上生长P型GaN层，在P型GaN层上生长P型GaN接触层，最后得到GaN基LED外延结构。
实施例二：
上述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1：清洁蓝宝石衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤20min，温度为1200℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间50s；
S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度1050℃，生长厚度10nm，SiNx薄层为不连续的薄膜；
S3：通入TMG和NH3在AlN薄层上生长GaN种子层，N2作为载气，N2流量为8000sccm，生长温度1050℃，生长时间为50s，V/III比为50，GaN种子层优先生长在AlN薄层上不连续SiNx薄膜和没有覆盖SiNx薄膜的交汇处，覆盖SiNx薄膜的位置不会生长GaN种子层；
S4：通入TMG和NH3在GaN种子层上垂直生长GaN纳米柱，载气为N2和H2，N2和H2的比例是50:1，生长温度1050℃，V/III比为50，生长初始阶段通入微量的SiH4，SiH4附着于纳米柱的侧壁，能够抑制GaN的横向生长，有助于GaN的垂直生长；
S5：在GaN纳米柱上生长非故意掺杂GaN层，非故意掺杂GaN层生长时采取横向生长的方式形成表面平坦的GaN层，生长厚度为4um，生长温度为1200℃，V/III比为2000，在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层， 在N型GaN层上生长多量子阱发光层，在多量子阱发光层上生长P型GaN层，在P型GaN层上生长P型GaN接触层，最后得到GaN基LED外延结构。
实施例三：
上述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1：清洁蓝宝石衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤15min，温度为1150℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间30s；
S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度1000℃，生长厚度5nm，SiNx薄层为不连续的薄膜；
S3：通入TMG和NH3在AlN薄层上生长GaN种子层，N2作为载气，N2流量为6000sccm，生长温度1000℃，生长时间为30s，V/III比为20，GaN种子层优先生长在AlN薄层上不连续SiNx薄膜和没有覆盖SiNx薄膜的交汇处，覆盖SiNx薄膜的位置不会生长GaN种子层；
S4：通入TMG和NH3在GaN种子层上垂直生长GaN纳米柱，载气为N2和H2，N2和H2的比例是40:1，生长温度1000℃，V/III比为20，生长初始阶段通入微量的SiH4，SiH4附着于纳米柱的侧壁，能够抑制GaN的横向生长，有助于GaN的垂直生长；
S5：在GaN纳米柱上生长非故意掺杂GaN层，非故意掺杂GaN层生长时采取横向生长的方式形成表面平坦的GaN层，生长厚度为3um，生长温度为1050℃，V/III比为5000，在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层， 在N型GaN层上生长多量子阱发光层，在多量子阱发光层上生长P型GaN层，在P型GaN层上生长P型GaN接触层，最后得到GaN基LED外延结构。
Claims (5)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于从下向上依次包括衬底（1）、位于衬底上的自组装GaN纳米柱（2）、位于GaN纳米柱上的非故意掺杂GaN层（3）、位于非故意掺杂GaN层上的N型GaN层（4）、位于N型GaN层上的多量子阱发光层（5）、位于多量子阱发光层上的P型GaN层（6）和位于P型GaN层上的P型GaN接触层，该外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1：清洁衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤10-20min，温度为1050-1200℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间10-50s；
S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度950-1050℃，生长厚度1-10nm，SiNx薄层为不连续的薄膜；
S3：通入TMG和NH3在AlN薄层上生长GaN种子层，N2作为载气，N2流量为4000-8000sccm，生长温度为950-1050℃，生长时间为10s-50s，V/III比为10-50，GaN种子层优先生长在AlN薄层上不连续SiNx薄膜和没有覆盖SiNx薄膜的交汇处；
S4：通入TMG和NH3在GaN种子层上垂直生长GaN纳米柱，载气为N2和H2，N2和H2的比例是35:1-50:1，生长温度950-1050℃，V/III比为10-50，生长初始阶段通入SiH4，SiH4附着于纳米柱的侧壁，能够抑制GaN纳米柱的横向生长，有助于GaN纳米柱的垂直生长；
S5：在GaN纳米柱上生长非故意掺杂GaN层，在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层，在N型GaN层上生长多量子阱发光层，在多量子阱发光层上生长P型GaN层，在P型GaN层上生长P型GaN接触层，最后得到GaN基LED外延结构。
2.如权利 要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于所述衬底为蓝宝石、Si、SiC、GaN中的一种。
3.如权利 要求1或2所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于所述GaN纳米柱的高度为500-3000nm，直径为100-800nm，密度为107-109cm-2。
4.如权利 要求1或2所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于所述非故意掺杂GaN层为生长在GaN纳米柱上的平整的GaN薄膜。
5.如权利 要求1所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于非故意掺杂GaN层生长时采取横向生长的方式形成表面平坦的GaN层，生长厚度为2~4um，生长温度为950-1200℃，V/III比为500-5000。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |