CN108365063A - 一种提高GaN基LED发光效率的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，所述外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。本发明在蓝宝石衬底与低温GaN缓冲层之间具有Al2O3缓冲层，通过Al2O3缓冲层和低温GaN缓冲层的双层缓冲作用，提高GaN材料的晶体质量，从而提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种提高GaN基LED发光效率的外延结构。
背景技术
GaN基LED由于具有光电转换效率高、寿命长、损耗低、无污染等显著优势，近些年来得到了突飞猛进的发展。在GaN基LED技术的发展过程中，整个产业链各个环节关键技术的应用为GaN基LED的产业化及其应用创造了条件。其中，外延技术对GaN基LED至关重要。外延技术的发展主要经历了三个突破，第一个突破是低温缓冲层技术的应用，使得GaN材料的晶体质量迅速提高，从此GaN材料的晶体质量实现了飞跃；第二个突破是p型GaN材料的成功制备，这为GaN基LED的大规模生产扫除了障碍；第三个突破是蓝宝石图形衬底的应用，使得GaN基LED的亮度大幅提高，为GaN基LED的大规模应用创造了条件。低温缓冲层技术的关键是制备低温GaN或AlN缓冲层，调节蓝宝石衬底与GaN的晶格失配，从而提高GaN材料的晶体质量，提高GaN基LED的发光效率。关于缓冲层结构，中国专利申请CN103296161A提出一种GaN基LED超晶格缓冲层结构，该超晶格缓冲层结构为由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替的层叠结构，其中，0.01≤x≤1，且各Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增。该专利仅采用GaN或AlN材料做缓冲层，缓冲效果有限。
发明内容
本发明针对现有缓冲层技术存在的不足，提出一种提高GaN基LED发光效率的外延结构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，所述提高GaN基LED发光效率的外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。
进一步地，所述蓝宝石衬底为蓝宝石平面衬底或蓝宝石图形衬底。
进一步地，所述Al2O3缓冲层由单层或多层Al2O3薄膜构成。
进一步地，所述Al2O3缓冲层的厚度为h，0＜h＜100nm。
进一步地，它通过以下方法制备得到：
(1)将原子层沉积系统反应室抽真空，待压力小于2x10-5Torr后，把蓝宝石衬底从送样室转移至反应室，将反应室温度升高至200℃，以Ar为载气，以三甲基铝和水为反应源，待温度稳定后开始生长Al2O3，周期数为1～1250，厚度为h，0＜h＜100nm。待生长完成后，将具有Al2O3缓冲层的蓝宝石衬底在N2气氛下退火，退火温度为400℃，时间为10min。
(2)将步骤1处理后的蓝宝石衬底放入MOCVD反应室，在H2气氛下进行脱附后，将反应室温度调整至540℃，打开NH3和TMGa阀门，生长低温GaN缓冲层，低温GaN缓冲层的厚度为30nm。
(3)将反应室压力和温度分别调整至200Torr和1060℃，打开TMGa阀门，生长非故意掺杂高温GaN层，厚度为3.5um。
(4)打开SiH4阀门，生长n型GaN层，n型GaN层的掺杂浓度为8E18cm-3，厚度为1.5um。
(5)将反应室温度降低至740℃，打开TMIn和TMGa阀门，生长InGaN/GaN多量子阱层，量子阱周期为5，InGaN层和GaN层的厚度分别为2.6nm和12nm。
(6)将反应室温度升高至920℃，打开Cp2Mg、TMGa和TMAl阀门，在NH3气氛下生长p型AlGaN层，厚度20nm。
(7)打开Cp2Mg和TMGa阀门，在H2气氛下生长p型GaN层，厚度60nm。
(8)待反应室温度降低到小于180℃后，将外延片从反应室中取出，得到提高GaN基LED发光效率的外延结构。
本发明的有益效果是，本发明综合考虑蓝宝石衬底材料与GaN材料之间的晶格失配，在蓝宝石衬底与低温GaN或AlN缓冲层之间增加Al2O3缓冲层，不仅可以提高GaN基LED材料质量，而且可以提高GaN基LED的发光效率，具有非常重要的商业价值。
附图说明
图1是本发明提高GaN基LED发光效率的外延结构的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，提高GaN基LED发光效率的外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。
本发明提出一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，目的是进一步释放应力，提高GaN材料的晶体质量，从而提高GaN基LED的发光效率。具体实施步骤如下：
1、将原子层沉积系统反应室抽真空，待压力小于2x10-5Torr后，把蓝宝石衬底从送样室转移至反应室，将反应室温度升高至200℃，以Ar为载气，以三甲基铝和水为反应源，待温度稳定后开始生长Al2O3，周期数为1～1250，厚度为h，0＜h＜100nm。待生长完成后，将具有Al2O3缓冲层的蓝宝石衬底在N2气氛下退火，退火温度为400℃，时间为10min。
2、将完成步骤1后的蓝宝石衬底放入MOCVD(metal organic chemical vapordeposition，金属有机物化学气相沉积)反应室，在H2气氛下进行脱附后将反应室温度调整至540℃，打开NH3(氨气)和TMGa(三甲基镓)阀门生长低温GaN缓冲层，低温GaN缓冲层的厚度为30nm。
3、将反应室压力和温度分别调整至200Torr和1060℃，打开TMGa阀门生长非故意掺杂GaN层，厚度为3.5um。
4、打开SiH4(硅烷)阀门生长n型GaN层，n型GaN层的掺杂浓度为8E18cm-3，厚度为1.5um。
5、将反应室温度降低至740℃，打开TMIn(trimethylindium，三甲基铟)和TMGa阀门，生长InGaN/GaN多量子阱层，量子阱周期为5，InGaN层和GaN层的厚度分别为2.6nm和12nm。
6、将反应室温度升高至920℃，打开Cp2Mg(Bis-cyclopentadienyl magnesium，二茂镁)、三甲基镓TMGa和三甲基铝TMAl阀门，在NH3气氛下生长p型AlGaN层，厚度20nm。
7、打开Cp2Mg和TMGa阀门，在H2气氛下生长p型GaN层，厚度60nm。
8、待反应室温度降低到小于180℃后，将外延片从反应室中取出，得到提高GaN基LED发光效率的外延结构。
以上实例仅用于说明而非限制本发明技术方案。任何不脱离本发明范围的技术方案，均应涵盖在本发明专利保护范围之中。
Claims (5)
1.一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述提高GaN基LED发光效率的外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。
2.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述蓝宝石衬底为蓝宝石平面衬底或蓝宝石图形衬底。
3.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述Al2O3缓冲层由单层或多层Al2O3薄膜构成。
4.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述Al2O3缓冲层的厚度为h，0＜h＜100nm。
5.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，它通过以下方法制备得到：
(1)将原子层沉积系统反应室抽真空，待压力小于2x10-5Torr后，把蓝宝石衬底从送样室转移至反应室，将反应室温度升高至200℃，以Ar为载气，以三甲基铝和水为反应源，待温度稳定后开始生长Al2O3，周期数为1～1250，厚度为h，0＜h＜100nm。待生长完成后，将具有Al2O3缓冲层的蓝宝石衬底在N2气氛下退火，退火温度为400℃，时间为10min。
(2)将步骤1处理后的蓝宝石衬底放入MOCVD反应室，在H2气氛下进行脱附后，将反应室温度调整至540℃，打开NH3和TMGa阀门，生长低温GaN缓冲层，低温GaN缓冲层的厚度约为30nm。
(3)将反应室压力和温度分别调整至200Torr和1060℃，打开TMGa阀门，生长非故意掺杂高温GaN层，厚度约为3.5um。
(4)打开SiH4阀门，生长n型GaN层，n型GaN层的掺杂浓度为8E18cm-3，厚度约为1.5um。
(5)将反应室温度降低至740℃，打开TMIn和TMGa阀门，生长InGaN/GaN多量子阱层，量子阱周期为5，InGaN层和GaN层的厚度分别为2.6nm和12nm。
(6)将反应室温度升高至920℃，打开Cp2Mg、TMGa和TMAl阀门，在NH3气氛下生长p型AlGaN层，厚度约为20nm。
(7)打开Cp2Mg和TMGa阀门，在H2气氛下生长p型GaN层，厚度约为60nm。
(8)待反应室温度降低到小于180℃后，将外延片从反应室中取出，得到提高GaN基LED发光效率的外延结构。
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