CN108807627A - 一种大功率垂直结构led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了大功率垂直结构LED外延结构，包括生长在Si衬底上的预铺Al层、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u型GaN层、第一石墨烯层、n型GaN层、多量子阱、p型GaN层、第二石墨烯层，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层采用气相沉积而成。该LED外延结构具有较佳的光电性能，应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及低维石墨烯增强导电性能的光电器件外延薄膜领域，尤其涉及一种大功率垂直结构LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点，被誉为二十一世纪的绿色光源。LED的应用领域非常广泛，已经被用作信号指示灯、汽车大灯、LCD背光、道路照明、室内照明、商业照明、体育场馆照明、医疗照明和生物照明。如果LED能够大规模的应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。
目前商业化LED芯片多采用将蓝宝石衬底上GaN基薄膜蒸镀金属电极制备而成的水平结构LED芯片。对于水平结构LED芯片，由于电流横向流动，在芯片的台阶附近会产生电流聚集效应；其次，正面出光的GaN基LED芯片的很大一部分光被LED上方的P型欧姆接触电极、N型欧姆接触电极以及电极焊盘所吸收，从而限制了LED芯片注入电流的进一步提高与其在大功率照明领域的发展应用。而垂直电极结构的GaN基LED芯片，由于垂直电导有利于载流子的注入，从而提高载流子的复合效率。并且通过n面出光，有效的解决了散热和档光的问题，进一步打开了大功率LED芯片的市场。但垂直结构LED芯片的光学及电学性能仍然被金属电极与GaN材料的较高欧姆接触电阻所限制，特别是p-GaN的欧姆接触电极对LED的性能有很大的影响。一方面是由于p-GaN中掺杂的Mg受主元素的离化能高达170meV，导致Mg的离化率低，从而引起载流子的浓度低，p-GaN的高掺杂一直无法得到有效的突破；另一方面是由于在自然界中找不到一种功函数大于p-Ga N(功函数大约为6.12eV)的金属，导致制作低阻p-GaN的欧姆接触电极比较困难。因此，急需寻找一种可实现良好电流拓展性能的大功率垂直LED芯片的外延结构及其制备方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种大功率垂直结构LED外延结构。该结构能有效提高LED的光电性能。
本发明的目的之二在于提供上述垂直结构LED外延结构的制备方法。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种大功率垂直结构LED外延结构，包括生长在Si衬底上的预铺Al层、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u型GaN层、第一石墨烯层、n型GaN层、多量子阱、p型GaN层、第二石墨烯层，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层采用气相沉积而成。
进一步地，所述预铺Al层生长于所述Si衬底上的(111)晶面上。
进一步地，所述AlGaN缓冲层中，Al组分为的摩尔比例为0.1-0.9。
进一步地，所述多量子阱为周期重复结构，每一周期由垒层和阱层组成；垒层的材料为GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN中的一种或两种以上，阱层的材料为InGaN或AlGaN；多量子阱的周期数为1-20。
进一步地，所述预铺Al层的厚度为1-5nm、所述AlN缓冲层的厚度为100-300nm、所述AlGaN缓冲层的厚度为300-600nm、所述u型GaN层的厚度为500-1500nm，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的厚度为1-10nm。
进一步地，所述n型GaN层掺杂有1.0×1018-2.0×1019cm-3的Si；所述p型GaN层掺杂有5.0×1017-2.5×1019cm-3的Mg。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种制备上述的大功率垂直结构LED外延结构的方法，包括以下步骤：
1)采用MOCVD法，依次在Si衬底上沉积1-5nm的预铺Al层、100-300nm厚的AlN缓冲层、300-600nm厚的AlGaN缓冲层、500-1500nm厚的u型GaN层；
2)将步骤1)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积1-10nm的石墨烯形成第一石墨烯层；
3)将步骤2)得到的薄膜结构转移至MOCVD设备中，沉积2000-4000nm厚的、Si掺杂浓度为1.0×1018-2.0×1019cm-3的n型GaN层、1-20个周期的多量子阱、200-400nm的Mg掺杂浓度为5.0×1017-2.5×1019cm-3的P型GaN层；多量子阱中，每一周期由1-8nm的InGaN或AlGaN阱层和5-20nm的GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN垒层组成；
4)将步骤3)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积1-10nm的石墨烯层形成第二石墨烯层。
进一步地，步骤1)中，
预铺Al层的生长条件为：衬底温度为950-1000℃，反应室压力为40-100Torr，石墨盘转速为600-1200r/min，三甲基铝(TMAl)的流量为200-400sccm；
AlN缓冲层的生长条件为：衬底温度为800-1200℃，反应室压力为50-100Torr，石墨盘转速为600-1200r/min，TMAl的流量为200-400sccm，NH3的流量为5-40slm；
AlGaN缓冲层的生长条件为：衬底温度为900-1200℃，反应室压力为50-100Torr，石墨盘转速为900-1200r/min，TMAl的流量为200-400sccm，TMGa的流量为20-100sccm，NH3的流量为5-40slm。
进一步地，步骤2)和步骤4)中，工艺条件为：衬底温度为500-1500℃，通入气态碳源CH4和H2，CH4的流量为50-300sccm，H2的流量为10-100sccm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的大功率垂直结构LED外延结构，通过在本征GaN层的n型GaN层之间插入石墨烯材料，同时在P型GaN层外再附一层石墨烯材料，从而具有超强的导电性，并且能够显著降p型GaN层的欧姆接触电阻，有效增强LED的电流扩展性，提升光电性能；
2)本发明提供的大功率垂直结构LED外延结构中，石墨烯层是采用非原位CVD法沉积而成，可以解决石墨烯的导电结构在MOCVD生长过程中受气流扰动而被破坏；
3)本发明提供的大功率垂直结构LED外延结构，应用广泛，不仅适用于LED领域，同样适用于激光器、光电探测器、太阳能电池、功率电子器件等领域。
附图说明
图1为实施例1的大功率垂直结构LED外延结构的层叠结构示意图；
图中，各附图标记：1、Si衬底；2、预铺Al层；3、AlN缓冲层；4、AlGaN缓冲层；5、u型GaN层；6、第一石墨烯层；7、n型GaN层；8、多量子阱；9、p型GaN层；10、第二石墨烯层。
图2为实施例1外延片的光致发光测试图谱；
图3为实施例1外延片的电致发光测试图谱。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1所示，本发明提供一种大功率垂直结构LED外延结构，包括生长在Si衬底1上的预铺Al层2、AlN缓冲层3、AlGaN缓冲层4、u型GaN层5、第一石墨烯层6、n型GaN层7、多量子阱8、p型GaN层9、第二石墨烯层10，所述第一石墨烯层6和第二石墨烯层10采用气相沉积而成。
本发明中，该预铺Al层2能有效抑制界面反应；第一石墨烯层是设置于本征GaN层和n型GaN层之间、第二石墨烯层是设置于用于直接与金属电极和p型GaN层9之间，能有效降低p型GaN的欧姆接触电阻，从而提高该LED外延结构的导电性。
实施例1：
一种大功率垂直结构LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
1)将Si衬底1置于MOCVD设备中，选择Si衬底1的(111)晶面，依次沉积2nm的预铺Al层2、150nm厚的AlN缓冲层3、500nm厚的AlGaN缓冲层4、1000nm厚的u型GaN层5；
具体地，预铺Al层2的操作参数：衬底温度为950℃，反应室压力为40Torr，石墨盘转速为900r/min，TMAl的流量为250sccm；
沉积AlN缓冲层3的操作参数：衬底温度为1100℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为350sccm，NH3的流量为20slm；
沉积AlGaN缓冲层4的操作参数：衬底温度为1100℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为300sccm，TMGa的流量为100sccm，NH3的流量为10slm；
沉积u型GaN层的操作参数：衬底温度为1000℃，通入TMGa，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMGa的流量为500sccm，NH3的流量为30slm；
2)将步骤1)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积4nm的石墨烯形成第一石墨烯层；
沉积石墨烯的工艺条件为：衬底温度为1000℃，通入气态碳源CH4和H2，CH4和H2的流量分别问为100和50sccm；
3)将步骤2)得到的薄膜结构MOCVD设备中，沉积3000nm厚的、Si掺杂浓度为1.0×1019cm-3的n型GaN层7、9个周期的多量子阱8、200nm的Mg掺杂浓度为5.0×1018cm-3的P型GaN层9；多量子阱8中，每一周期由3nm的In0.12Ga0.88N阱层和10nm的GaN垒层组成,第一层与最后一层均为垒层；
沉积n型GaN的工艺条件为：衬底温度为1100℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMGa的流量为500sccm，SiH4的流量为200sccm，NH3的流量为25slm；
每一周期的工艺条件为：垒层，衬底温度为850℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为800r/min，通入TMGa与氨气，TMGa的流量为400sccm，NH3的流量为40slm，厚度为10nm；阱层，衬底温度为750℃，反应室压力为200Torr，通入三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)与NH3，其流量分别为500sccm、400sccm、50slm，厚度为3nm，重复9次；其中第一层与最后一层均为垒层；
沉积P型GaN层9的工艺条件为：衬底温度为900℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，通入TMGa、CP2Mg与NH3，流量分别为400sccm、500sccm和40slm；
4)将步骤3)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积4nm的石墨烯层形成第二石墨烯层10；
沉积石墨烯的工艺条件为：衬底温度为1000℃，通入CH4和H2，CH4和H2的流量分别问为100sccm和50sccm。
对实施例1得到的外延结构进行光致发光测试和电致发光测试，结果如图2和图3所示，该外延结构在454-457nm出现光致发光强度的峰值；在456-458nm出现电致发光强度的峰值。
实施例2：
一种大功率垂直结构LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
1)将Si衬底1置于MOCVD设备中，选择Si衬底1的(111)晶面，依次沉积2nm的预铺Al层2、150nm厚的AlN缓冲层3、500nm厚的AlGaN缓冲层4、1000nm厚的u型GaN层5；
具体地，预铺Al层2的操作参数：衬底温度为950℃，反应室压力为40Torr，石墨盘转速为900r/min，TMAl流量为250sccm；
沉积AlN缓冲层3的操作参数：衬底温度为1100℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为350sccm，NH3的流量为20slm；
沉积AlGaN缓冲层4的操作参数：衬底温度为1100℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为300sccm，TMGa的流量为100sccm，NH3的流量为10slm；
沉积u型GaN层的操作参数：衬底温度为1000℃，通入TMGa，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMGa的流量为500sccm，NH3的流量为30slm；
2)将步骤1)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积8nm的石墨烯形成第一石墨烯层；
沉积石墨烯的工艺条件为：衬底温度为1000℃，通入气态碳源CH4和H2，CH4和H2的流量分别问为100和50sccm；
3)将步骤2)得到的薄膜结构MOCVD设备中，沉积3000nm厚的、Si掺杂浓度为1.0×1019cm-3的n型GaN层7、9个周期的多量子阱8、200nm的Mg掺杂浓度为5.0×1018cm-3的P型GaN层9；多量子阱8中，每一周期由3nm的In0.12Ga0.88N阱层和10nm的GaN垒层组成,第一层与最后一层均为垒层；
沉积n型GaN的工艺条件为：衬底温度为1100℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMGa的流量为500sccm，SiH4的流量为200sccm，NH3的流量为25slm；
每一周期的工艺条件为：垒层，衬底温度为850℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为800r/min，通入TMGa与氨气，TMGa的流量为400sccm，NH3的流量为40slm，厚度为10nm；阱层，衬底温度为750℃，反应室压力为200Torr，通入TEGa、TMIn与NH3，其流量分别为500sccm、400sccm、50slm，厚度为3nm，重复9次；其中第一层与最后一层均为垒层；
沉积P型GaN层9的工艺条件为：衬底温度为900℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，通入TMGa、CP2Mg与NH3，流量分别为400sccm、500sccm和40slm；
4)将步骤3)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积8nm的石墨烯层形成第二石墨烯层10；
沉积石墨烯的工艺条件为：衬底温度为1000℃，通入CH4和H2，CH4和H2的流量分别问为100sccm和50sccm。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种大功率垂直结构LED外延结构，其特征在于，包括生长在Si衬底上的预铺Al层、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u型GaN层、第一石墨烯层、n型GaN层、多量子阱、p型GaN层、第二石墨烯层，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层采用气相沉积而成。
2.如权利要求1所述的大功率垂直结构LED外延结构，其特征在于，所述预铺Al层生长于所述Si衬底上的(111)晶面上。
3.如权利要求1所述的大功率垂直结构LED外延结构，其特征在于，所述AlGaN缓冲层中，Al组分为的摩尔比例为0.1-0.9。
4.如权利要求1所述的大功率垂直结构LED外延结构，其特征在于，所述多量子阱为周期重复结构，每一周期由垒层和阱层组成；垒层的材料为GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN中的一种或两种以上，阱层的材料为InGaN或AlGaN；多量子阱的周期数为1-20。
5.如权利要求1所述的大功率垂直结构LED外延结构，其特征在于，所述预铺Al层的厚度为1-5nm、所述AlN缓冲层的厚度为100-300nm、所述AlGaN缓冲层的厚度为300-600nm、所述u型GaN层的厚度为500-1500nm，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的厚度为1-10nm。
6.如权利要求1所述的大功率垂直结构LED外延结构，其特征在于，所述n型GaN层掺杂有1.0×1018-2.0×1019cm-3的Si；所述p型GaN层掺杂有5.0×1017-2.5×1019cm-3的Mg。
7.一种制备如权利要求1-6任一项所述的大功率垂直结构LED外延结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用MOCVD法，依次在Si衬底上沉积1-5nm的预铺Al层、100-300nm厚的AlN缓冲层、300-600nm厚的AlGaN缓冲层、500-1500nm厚的u型GaN层；
2)将步骤1)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积1-10nm的石墨烯形成第一石墨烯层；
3)将步骤2)得到的薄膜结构转移至MOCVD设备中，沉积2000-4000nm厚的、Si掺杂浓度为1.0×1018-2.0×1019cm-3的n型GaN层、1-20个周期的多量子阱、200-400nm的Mg掺杂浓度为5.0×1017-2.5×1019cm-3的P型GaN层；多量子阱中，每一周期由1-8nm的InGaN或AlGaN阱层和5-20nm的GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaN垒层组成；
4)将步骤3)得到的薄膜结构转移至CVD设备中，沉积1-10nm的石墨烯层形成第二石墨烯层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤1)中，
预铺Al层的生长条件为：衬底温度为950-1000℃，反应室压力为40-100Torr，石墨盘转速为600-1200r/min，三甲基铝的流量为200-400sccm；
AlN缓冲层的生长条件为：衬底温度为800-1200℃，反应室压力为50-100Torr，石墨盘转速为600-1200r/min，TMAl的流量为200-400sccm，NH3的流量为5-40slm；
AlGaN缓冲层的生长条件为：衬底温度为900-1200℃，反应室压力为50-100Torr，石墨盘转速为900-1200r/min，TMAl的流量为200-400sccm，TMGa的流量为20-100sccm，NH3的流量为5-40slm。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2)和步骤4)中，工艺条件为：衬底温度为500-1500℃，通入CH4和H2，CH4的流量为50-300sccm，H2的流量为10-100sccm。
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