CN107681025B - 一种GaN基白光LED外延结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种GaN基白光LED外延结构及制备方法，该制备方法包括以下步骤：使用反应磁控溅射在稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底上制备单晶或多晶氮氧化铝、氮化铝双层缓冲层；使用金属有机化学气相沉积在所述单晶或多晶氮化铝缓冲层上生长GaN基LED外延结构，其中，GaN基LED外延结构自下而上依次为低温GaN缓冲层、高温GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区、P型GaN层和高掺杂P型电极接触层。本发明制备的GaN基白光LED外延结构可以非常精确地控制荧光材料的掺杂、厚度和质量等光学特型和物理特性，实现重复率非常高、均匀度非常好的荧光材料集成，并解决传统点胶(涂覆)型白光LED中荧光粉、胶体散射导致的光损失与荧光粉受热退化造成的光效降低、色坐标偏移的问题。

Description

一种GaN基白光LED外延结构及制备方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种GaN基白光LED外延结构及制备方法。
背景技术
白光LED目前已经取代传统照明，成为室内、室外通用照明的首选方式。白光LED通常采用蓝光LED激发黄色荧光粉的方式产生白光。目前最主流的荧光粉涂敷工艺是传统的喷涂(点胶)工艺：即荧光粉与胶体混合后，直接涂覆在蓝光LED芯片上。该工艺存在诸多难以克服的困难，例如，微米级的荧光粉颗粒对LED发出的蓝光具有较强的散射作用，导致光效降低；荧光粉由于受到LED芯片的热影响，产生热退化效应，最终导致白光LED光效降低，色坐标的偏移。
因此，需要一种新型白光LED，解决荧光粉光散射、热退化等现象，同时简化封装工艺、提高良率、减少生产成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供了一种GaN基白光LED外延结构的制备方法，在新型稀土元素掺杂的YAG陶瓷或单晶衬底上生长的一种GaN基白光LED外延片，通过传统芯片加工工艺可获得无需荧光粉涂覆工艺的白光LED芯片。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种GaN基白光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
采用反应磁控溅射法在稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底上制备双层外延缓冲层；
用金属有机化学气相沉积在所述双层外延缓冲层上生长GaN基LED外延结构，其中，GaN基LED外延结构自下而上依次为低温GaN缓冲层、高温GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区、P型GaN层和高掺杂P型电极接触层。
本发明进一步的改进在于，所述稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底中，稀土元素包括Ce、Eu、Nd和Yb中的一种或几种，掺杂浓度为0.05at％到0.5at％，衬底厚度为100μm到1000μm，作为衬底的稀土元素YAG陶瓷或单晶表面经过精细抛光，其表面粗糙度小于0.5nm。
本发明进一步的改进在于，采用反应磁控溅射法在稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底上制备双层外延缓冲层，其具体操作为：
首先，将稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底放入磁控溅射腔室内样品台上，开启抽真空及样品加热；
随后，通入氩气，开启RF电源，对靶材进行等离子清洗；之后通入氩气、氮气或氧气，开始预溅射；
最后，打开挡板，根据条件依次溅射缓冲层第一层和第二层。
本发明进一步的改进在于，所述采用反应磁控溅射法制备的双层外延缓冲层，自下而上依次为：第一层：单晶或多晶氮化铝或氮氧化铝缓冲层；第二层：单晶或多晶氮化铝缓冲层。
本发明进一步的改进在于，所述采用反应磁控溅射法制备的双层外延缓冲层，其厚度为：第一层：0.1nm至2μm，第二层：0.1nm至2μm。
本发明进一步的改进在于，溅射靶材为铝靶材或氮化铝靶材；
样品加热温度为200℃至1300℃。
本发明进一步的改进在于，RF功率为200W至1000W，反应溅射时对应自偏压为100-4000V；
溅射气压为0.1Pa至1Pa。
本发明进一步的改进在于，氩气流量范围为0至100sccm，氮气流量为0至50sccm，氧气流量为0至50sccm，且三种气体中至少有一种气体通入。
本发明进一步的改进在于，使用金属有机化学气相沉积在所述单晶或多晶氮化铝缓冲层上生长GaN基LED外延结构，具体包括：
在温度为500℃-700℃下生长50nm-300nm厚度的低温GaN缓冲层；
在温度为900℃-1200℃下生长2-4um厚度的高温GaN缓冲层；
在温度为900℃-1200℃下生长1um-3um的N型GaN层，其中，N型GaN层中的Si掺杂浓度为1×1017cm-3-3×1020cm-3；
在温度为650℃-850℃下生长1-30个循环的InGaN/GaN多量子阱发光层；
在温度为800℃-1150℃下生长100nm-800nm的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3-3×1020cm-3；
在温度为800℃-1200℃下生长5nm-50nm的高掺杂P型电极接触层，其中，Mg掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1020cm-3。
一种GaN基白光LED外延结构，采用上述制备方法制得。
与现有技术相比，通过反应磁控溅射可以获得高质量的氮氧化铝、氮化铝薄膜，可以有效地缓解GaN与YAG晶格失配带来的应力，同时为GaN的外延生长提供较好的成核条件。采用该结构，衬底被GaN基LED激发后，可以直接得到白光发射。在生产中减少了荧光粉涂覆封装环节，减少了成本；同时，采用倒装结构有利于芯片热管理，避免使用传统荧光粉可消除热效应导致的荧光粉失效，从而提高白光LED的光效与寿命。
综上，本发明可大幅度简化制作工艺，有效减少生产成本。另外由于直接使用荧光材料取代传统的蓝宝石作为外延衬底，可以较好地解决荧光粉材料本身的散热问题，提高其在大功率驱动下的稳定性，实现更好的色温控制，更长的寿命。
附图说明
图1为本发明制备方法制备的GaN基白光LED外延结构的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
取一片掺杂浓度0.5at％、厚度200μm、表面粗糙度小于0.5nm的Ce:YAG单晶衬底，清洗后放入磁控溅射设备室中，开启抽真空、样品加热。
当衬底加热至300℃，本底真空达到1×10-5时，通入Ar：10sccm，RF功率设为200W，腔体气压调节为0.1Pa，对Al靶材进行射频清洗10min。将Ar流量调整为20sccm，并通入N2：20sccm，RF功率调整为500W，气压调节为0.2Pa，预溅射AlN 20min。打开挡板，在Ce：YAG衬底上溅射第一层0.1nm多晶AlN缓冲层，关闭挡板。
温度保持不变，通入Ar：30sccm、N2：30sccm，RF功率设为800W，腔体气压调节为0.4Pa，预溅射AlN 20min。打开挡板，在第一层AlN缓冲层上溅射第二层500nm单晶AlN缓冲层。
将衬底放入金属有机化学气相沉积(MOVPE)设备中，生长GaN基LED外延结构，具体为：在反应磁控溅射AlN缓冲层表面依次生长低温GaN层、高温GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、P型GaN层和高掺杂P型GaN电极接触层。
实施例2
取一片厚度1000μm、表面粗糙度小于0.5nm的Ce、Nd:YAG单晶衬底，其中，Ce掺杂浓度为0.05at％，Nd掺杂浓度为0.05at％清洗后放入磁控溅射设备室中，开启抽真空、样品加热。
当衬底加热至1300℃，本底真空达到1×10-4时，通入Ar：100sccm，RF功率设为200W，腔体气压调节为0.5Pa，对Al靶材进行射频清洗10min。将Ar流量调整为50sccm，并通入N2：50sccm、O2：50sccm，RF功率调整为1000W，气压调节为1Pa，预溅射AlON 20min。打开挡板，在Ce：YAG衬底上溅射第一层5nm单晶AlON缓冲层。
将温度设为600℃，温度稳定后，通入Ar：10sccm、N2：10sccm，RF功率设为200W，腔体气压调节为0.1Pa，预溅射AlN 20min。打开挡板，在第一层AlON缓冲层上溅射第二层30nmAlN单晶缓冲层。
将衬底放入金属有机化学气相沉积(MOVPE)设备中，生长GaN基LED外延结构，具体为：在反应磁控溅射双层AlON/AlN缓冲层表面依次生长低温GaN缓冲层、GaN缓冲层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、AlGaN阻挡层、P型GaN层和高掺杂P型GaN电极接触层。
实施例3
取一片厚度100μm、表面粗糙度小于0.5nm的Ce、Eu、Yb:YAG单晶衬底，其中，Ce掺杂浓度为0.5at％，Eu掺杂浓度为0.5at％，Yb掺杂浓度为0.05at％清洗后放入磁控溅射设备室中，开启抽真空、样品加热。
当衬底加热至200℃，本底真空达到5×10-5时，通入Ar：40sccm，RF功率设为200W，腔体气压调节为1Pa，对AlN靶材进行射频清洗20min。Ar流量保持40sccm，并通入O2：20sccm，RF功率调整为800W，气压调节为1Pa，预溅射AlON 20min。打开挡板，在衬底上溅射第一层100nm单晶AlON缓冲层。
将温度设为400℃，温度稳定后，通入Ar：30sccm、N2：30sccm，RF功率设为400W，腔体气压调节为1Pa，预溅射AlN 20min。打开挡板，在第一层AlON缓冲层上溅射第二层2000nmAlN单晶缓冲层。
将衬底放入金属有机化学气相沉积(MOVPE)设备中，生长GaN基LED外延结构，具体为：在反应磁控溅射双层AlON/AlN缓冲层表面依次生长低温GaN缓冲层、GaN缓冲层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、AlGaN阻挡层、P型GaN层和高掺杂P型GaN电极接触层。
实施例5
取一片厚度600μm、表面粗糙度小于0.5nm的Ce:YAG单晶衬底，其中，Ce掺杂浓度为0.05at％，清洗后放入磁控溅射设备室中，开启抽真空、样品加热。
当衬底加热至900℃，本底真空达到2×10-4时，通入Ar：10sccm，RF功率设为400W，腔体气压调节为0.1Pa，对Al靶材进行射频清洗15min。将Ar流量关闭，并通入N2：50sccm、O2：5sccm，RF功率调整为500W，气压调节为0.6Pa，预溅射AlON 30min。打开挡板，在Ce：YAG衬底上溅射2000nm单晶AlON缓冲层。
将温度设为300℃，温度稳定后，通入Ar：10sccm、N2：10sccm，RF功率设为800W，腔体气压调节为0.1Pa，预溅射AlN 20min。打开挡板，在第一层AlON缓冲层上溅射第二层0.1nm多晶AlN缓冲层。
将带有该缓冲层的衬底放入金属有机化学气相沉积(MOVPE)设备中，生长GaN基LED外延结构，具体为：在反应磁控溅射双层AlON/AlN缓冲层表面依次生长低温GaN缓冲层、GaN缓冲层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、AlGaN阻挡层、P型GaN层和高掺杂P型GaN电极接触层。
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，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 (3)

1.一种GaN基白光LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用反应磁控溅射法在稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底上制备双层外延缓冲层；该双层外延缓冲层自下而上依次为：第一层：单晶或多晶氮化铝或氮氧化铝缓冲层；第二层：单晶或多晶氮化铝缓冲层，其厚度为：第一层：0.1nm至2μm，第二层：0.1nm至2μm；
用金属有机化学气相沉积在所述双层外延缓冲层上生长GaN基LED外延结构，其中，GaN基LED外延结构自下而上依次为低温GaN缓冲层、高温GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区、P型GaN层和高掺杂P型电极接触层；
采用反应磁控溅射法在稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底上制备双层外延缓冲层，其具体操作为：
首先，将稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底放入磁控溅射腔室内样品台上，开启抽真空及样品加热；所述稀土元素掺杂YAG陶瓷或单晶衬底中，稀土元素包括Ce、Eu、Nd和Yb中的一种或几种，掺杂浓度为0.05at％到0.5at％，衬底厚度为100μm到1000μm，作为衬底的稀土元素YAG陶瓷或单晶表面经过精细抛光，其表面粗糙度小于0.5nm；
随后，通入氩气，开启RF电源，对靶材进行等离子清洗；之后通入氩气、氮气或氧气，开始预溅射；RF功率为200W至1000W，反应溅射时对应自偏压为100-4000V；溅射气压为0.1Pa至1Pa；氩气流量范围为0至100sccm，氮气流量为0至50sccm，氧气流量为0至50sccm，且三种气体中至少有一种气体通入；
最后，打开挡板，根据条件依次溅射缓冲层第一层和第二层；
使用金属有机化学气相沉积在所述单晶或多晶氮化铝缓冲层上生长GaN基LED外延结构，具体包括：
在温度为500℃-700℃下生长50nm-300nm厚度的低温GaN缓冲层；
在温度为900℃-1200℃下生长2-4um厚度的高温GaN缓冲层；
在温度为900℃-1200℃下生长1um-3um的N型GaN层，其中，N型GaN层中的Si掺杂浓度为1×1017cm-3-3×1020cm-3；
在温度为650℃-850℃下生长1-30个循环的InGaN/GaN多量子阱发光层；
在温度为800℃-1150℃下生长100nm-800nm的P型GaN层，其中，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3-3×1020cm-3；
在温度为800℃-1200℃下生长5nm-50nm的高掺杂P型电极接触层，其中，Mg掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1020cm-3。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，溅射靶材为铝靶材或氮化铝靶材；
样品加热温度为200℃至1300℃。
3.一种GaN基白光LED外延结构，其特征在于，采用权利要求1 或2所述的制备方法制得。
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