專利名稱：一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極管(LED)，尤其是涉及一種應用氮化鎵(GaN)基及其化合物薄膜的外延生長技術一側向外延生長技術(LEO)在弱極性面上獲得氮化鎵基發光二極管外延片的方法。
背景技術：
半導體LED將成為下一代日常照明光源已成為世界各國政府、科技界及產業界的共識，是繼白熾燈、熒光燈之后的21世紀新一代“綠色照明”光源。它具有節能環保、壽命長、體積小和色彩豐富等優點，其作為日常照明光源的實現將產生極大的社會和經濟效益。
目前，國際上已經商品化的白光LED的發光效率約為1101m/w，但是要實現大規模的固體照明，還需解決價格太高和光電轉換效率太低以及提高器件壽命和性能等問題， 并朝效率高和功率大的方向發展。GaN基LED的發光效率是由內量子效率和出光效率所決定的，為提高出光效率。近年來，很多研究都致力于外量子效率的研究，主要技術有圖形藍寶石襯底生長方法、改變芯片截面技術、激光剝離技術、在ITO透明電極上制作光子晶體等等，都取得了很好的效果。而針對LED內量子效率的各種問題，國際上的研究相對較少。目前，GaN基LED的內量子效率相對低下，其中最關鍵的原因是GaN基材料生長在藍寶石襯底(OOOl)面上。在生長過程中，由于晶格失配而存在極強的極化電場， 極化場的存在使得有源層中能帶發生傾斜，電子空穴波函數在空間上發生分離，降低其輻射復合效率， 從而降低LED的內量子效率，且發光波長不穩定，即所謂的量子限制斯塔克效應(QCSE)。 另外，極化場也被認為是LED光效Droop效應的罪魁禍首，是制約實現大功率和高效LED 的障礙([I] S. P. Chang, T. C. Lu, L. F. Zhuo, C. Y. Jang, D. ff. Lin, H. C. Yang, H. C. Kuo, S. C. Wang. Low Droop Nonpolar GaN/InGaN Light Emitting Diode Grown on m-Plane GaN Substrate. [J]. J. Electrochem. Soc. , 2010, 157:H501. )0 為了降低極化電場，美國 J. Xu和M. F. Schubert等人報道利用調節晶格匹配的AlInGaN四元合金和InGaN作為魚層實現LED發光效率的提高和大注入條件下減弱Droop效應([2]J. Xu, M. F. Schubert, A. N. Noemaun, D. Zhu, J. K. Kim, E. F. Schubert, Μ. H. Kim, H. J. Chung, S. Yoon, C. Sone, Y. Park. Reduction in efficiency droop in polarization matched GalnN/GalnN LEDs. [J]. AppI. Phys. Lett. , 2009, 94, 011113.)。國內 C. H. Wang 等人采用逐漸增加 InGaN/GaN MQW中講層厚度，即GQWs (Graded-thickness quantum wells)結構來降低有源層中的極化場而提高 LED 的效率([3]C. H. Wang, S. P. Chang, ff. T. Chang, J. C. Li, Y. S. Lu, Z. Y. Li, H. C. Yang, H. C. Kuo, T. C. Lu, and S. C. Wang. Efficiency droop alleviation in InGaNGaN light-emitting diodes by graded-thickness multiple quantum wells. [J]. Appl. Phys. Lett.，2010，97，181101.)。這些工作都是通過調制量子阱的能帶結構來降低極化場，提高量子阱LED的發光效率，其可調程度都較小。1998年，作為GaN基LED藍光之父的S. Nakamura研究小組報道了采用側向外延生長技術(Lateral Epitaxial overgrowth, LEO)技術獲得了低位錯密度的高晶體質量的GaN基材料并成功實現了 GaN基藍光激光器最小閾值電流達I. 2kAcm 2,并實現商品化后([4] S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, Y. Sugimoto, Τ. Kozaki, H. Umemoto, Μ. Sano, K. Chocho. InGaN/GaN/AlGaN-based laser diodes with modulation-doped strained-layer superlattices grown on an epitaxially laterally overgrown GaN substrate. [J]. Appl. Phys. Lett. , 1998, 72:211-214. )，LEO技術由于能有效的降低外延層中的位錯密度而引起了很多研究者的興趣。由于側向外延技術不僅能降低材料位錯密度，而且非極性面上生長發光器件的有源層可以顯著降低極化電場，2009年其研究小組還報道了采用在GaN 的非極性[1100_面(111- 13116),或者在半極性面[1011] (a-plane)生長非極性面的GaN和制作 LED/LD 器件([5] Y. D. Lin, A. Chakraborty, S. Brinkley, H. C. Kuo, T. Melo, K. Fujito, J. S.Speck,S.P.DenBaars, and S.Nakamura. Characterization of blue-green m—plane InGaN light emitting diodes. [J]. Appl. Phys. Lett. , 2009, 94:261108. ) 盡管如此，非極性面上生長非極性的GaN材料，其制備條件要求較高，工藝有待優化。盡管LEO技術還不是很理想，但是在當前尚未有GaN襯底的情況下是非常有用的。
LEO技術要求首先在已經生長好的GaN薄膜上沉積一層絕緣的介質膜(SiO2或者 SiN)做為掩膜層，然后在介質膜上刻蝕出平行或者垂直于襯底的丨1120丨面的條狀長方形窗口區，最后再將帶有掩膜層的襯底放入反應室進行二次外延。LEO具體生長過程是GaN首先在窗口區成核并向上生長，一般認為窗口區的外延層厚度超過掩膜區厚度時開始側向生長，直到相鄰兩窗口區側向生長的GaN匯合成平整的薄膜。由于介質膜的阻擋作用和螺旋位錯的轉向，生長自由面增大等原因，二次外延得到的薄膜的位錯密度將比掩膜層下的一次外延的位錯密度降低4個數量級左右。
綜上所述，結合GaN基材料的生長特點和LED的廣大的應用市場前景，我們需要降低LED有源層中的極 化場而提高內量子效率。發明內容
本發明的目的是為了克服傳統LED器件結構中由于有源層存在極強的極化場，使得量子阱的能帶發生傾斜，電子空穴波函數在空間上發生分離，使其輻射復合效率下降，從而降低LED的內量子效率的問題，提供一種晶體質量較好，可提高LED的內量子效率，在弱極性面上實現非平面的有源層結構的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片及其制備方法。
本發明采用低壓金屬有機化學氣相沉積系統(LP-MOCVD)設備，利用高純H2、N2作為載氣，進行LED外延片的制備。
本發明所述一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片設有藍寶石襯底、未摻雜的GaN緩沖層、第IN型GaN層、介質層、第2N型GaN層、3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱層、P型AlGaN層和P型GaN層；所述未摻雜的GaN層、第IN型GaN層、介質層、第2N型 GaN層、3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱、P型AlGaN層和P型GaN層從下至上依次設在藍寶石襯底上；所述介質層為SiO2層或SiN層。
本發明所述一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，具體步驟如下
I)將(0001)面的藍寶石襯底裝入反應室，在H2氣氛下加熱對襯底進行熱處理后再降溫，生長GaN緩沖層；
2)在GaN緩沖層上生長第IN型GaN層，降溫后取出樣品；
3)在第IN型GaN層上沉積SiO2層或SiN層作為介質層，分別沿第IN型GaN的<1100 >或< 1120 >方'向亥1拙窗' π 乍為15形襯底，得^至Li帶有"15形襯底的樣( ；
4)樣品清洗后放入低壓金屬有機化學氣相沉積系統中進行二次外延生長首先在 H2下生長第2N型GaN層，接著在N2氣氛下生長InGaN/GaN多量子阱有源層；
5)在H2下生長摻鎂P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，得到外延片后，將外延片在 N2氣下退火，得弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片。
在步驟I)中，所述在H2氣氛下加熱的溫度在1050°C以上，所述熱處理的時間可為10 20min，所述降溫的溫度可為500 600°C，所述GaN緩沖層的生長厚度可為10 40nmo
在步驟2)中，所述在GaN緩沖層上生長第IN型GaN層的溫度可為950 1100°C， 所述第IN型GaN層的厚度可為O. 5 2 μ m。
在步驟3)中，所述在第IN型GaN層上沉積SiO2層或SiN層的溫度可為200 300°C下，所述沉積的方法可采用PE-CVD沉積法，所述SiO2層或SiN層的厚度可為100 200nm,所述刻出窗口的工藝可采用傳統的刻蝕工藝，所述窗口的形狀可為條形窗口，六邊形窗口，菱形窗口或圓形窗口等，所述條形窗口的周期可為8 20 μ m;所述六邊形窗口的外接圓的直徑可為5 10 μ m,周期可為10 20 μ m ;所述菱形窗口的周期可為10 20 μ m ;所述圓形窗口的直徑可為5 10 μ m,周期可為10 20 μ m。
在步驟4)中，所述在H2下生長第2N型GaN層的溫度可為950 1100°C，所述第 2N型GaN層的厚度可為O. 5 4 μ m，所·述在N2氣氛下生長InGaN/GaN多量子阱有源層的溫度可為700 900°C，所述InGaN/GaN多量子阱有源層可生長3 10個周期。
在步驟5)中，所述在H2下生長摻鎂P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層的溫度可為 900 1100°C，所述摻鎂P型AlGaN層的厚度可為10 50nm，所述退火的溫度可為700 850°C，所述退火的時間可為10 20min。
本發明在外延片制備過程中所用的Ga、In、Mg、N、Si源分別為高純的三甲基鎵 (TMGa)，三甲基銦(TMIn )，三甲基鋁(TMAl)，二茂鎂(Cp2Mg)、NH3 和硅烷(SiH4)。
本發明的技術方案是利用GaN基材料側向外延過生長技術中側向和縱向生長速率可控的特點，得到具有弱極性面的GaN外延層，然后在弱極性面上生長LED器件結構，實現非平面的有源層結構，從而增加有源層的有效發光面積和降低極化場強度，提高內量子效率。由于側向和縱向的生長速率比可以通過反應室的生長條件來控制，通過控制生長條件生長溫度、生長壓力和V/ III等參數使側向生長開始時速率小于縱向生長速率，當相鄰兩窗口區側向外延部分在掩膜層上相結合時，可形成非平面的，截面為三角形或梯形的，具有弱極性面的GaN外延層，接著在具有截面為三角形或梯形的外延層上外延生長多量子阱 LED器件結構。最終其截面在生長方向上都會形成并排的小三角形或者梯形結構，從而形成具有非平面的LED有源層結構，不同于傳統的平面結構。最后通過改變生長條件，使側向生長速率大于縱向生長速率，最終得到表面平整的外延片。
本發明從決定GaN基LED芯片發光效率的基本因素入手，利用GaN材料側向外延生長技術先獲得具有弱極性面的GaN外延層，然后在弱極性面上生長LED器件結構，得到具有非平面結構的有源層，從而降低有源層極化場，提高LED的發光效率。
與現有的LED器件結構相比，本發明的優點是
I、利用可控非平面型LED器件結構，增大有源層的發光面積，在相同的注入電流條件下，其發光效率更高。
2、LED器件有源層材料直接生長在掩膜區低位錯的GaN上，有利于獲得高質量的有源層材料，從而可大大提高其發光效率。
3、LED器件有源層生長在弱極性面上，能夠有效降低量子阱中的極化電場，從而提高電子空穴波函數復合幾率，提高內量子效率。
圖I為本發明實施例I的LED外延片(有源層截面為三角形)示意圖。
圖2為本發明實施例2的LED外延片(有源層截面為梯形)示意圖。
在圖I和2中，各標記為1.藍寶石襯底，2.第IN型GaN層，3.介質層，4.第2N 型GaN層，5. 3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱層，6. P型AlGaN層和P型GaN層。
具體實施方式
為了進一步說明本發明的內容，以下結合附圖和實施例對本發明做詳細的描述。
實施例I
參見圖1，本發明所述弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片實施例設有藍寶石襯底I、未摻雜的GaN緩沖層(在圖I中未畫出)、第IN型GaN層2、介質層3、第2N型GaN層 4、3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱層5、P型AlGaN層和P型GaN層6，從下至上未摻雜的GaN層、第IN型GaN層2、介質層3、第2N型GaN層4、3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱層5、P型AlGaN層和P型GaN層6依次設在藍寶石襯底I上；介質層為SiO2層或SiN 層。
以下給出本發明所述的弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的具體制備方法。
I)將(0001)面的藍寶石襯底I裝入反應室，在H2氣氛下加熱至1050°C以上對襯底進行熱處理IOmin ;接著降溫在530°C生長厚度40nm的GaN緩沖層；
2)在1030°C下，在GaN緩沖層上生長2 μ m厚的第IN型GaN層2，降溫取出樣品；
3)在200°C下，用PE-CVD沉積法在樣品上沉積IOOnm厚的SiN介質層3，沿第IN 型GaN層2的<1120>方向用傳統的刻蝕工藝刻出3μπι寬的條形窗口作為圖形襯底，得到帶有圖形襯底的樣品，條形窗口寬度和掩膜層寬度的周期為IOym;
4)把刻有圖形的樣品清洗后再放入金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統中進行二次外延生長；
5)首先在1050°C下生長一層O. 5 4 μ m的第2N型GaN層4，控制生長條件使得兩相鄰窗口區的第2N型GaN層4在掩膜層上愈合，形成具有截面為三角形，表明為非平面的的外延片結構；
6)接著在具有截面為三角形的非平面的第2N型GaN層4上降溫生長3個周期的 InGaN/GaN多量子阱作為LED結構材料所需的多量子阱層5，并使最終的表面仍具有截面為三角形的結構；
7)最后在1050°C生長一薄層10 50nm厚的P型AlGaN層和一層較厚的摻鎂P 型GaN層6，改變生長條件，增大P型GaN層的側向生長速率，使得側向生長速率大于縱向生長速率，最終得到平整表面的外延片。
實施例2
I)將(0001)面的藍寶石襯底I裝入反應室，在H2氣氛下加熱至1050°C以上對襯底進行熱處理20min ;接著降溫在600°C生長厚度40nm的GaN緩沖層；
2)在1050°C下，在GaN緩沖層上生長3μπι第IN型GaN層2，降溫取出樣品；
3)在300°C下，用PE-CVD沉積法在樣品上沉積200nm厚的SiO2介質層3，沿第IN 型GaN層2的<1100 >方向用傳統的刻蝕工藝刻出外接圓直徑為10 μ m的六邊形窗口作為圖形襯底，得到帶有圖形襯底的樣品。六邊形窗口外接圓直徑寬度和掩膜層寬度的周期為 20 μ m ；
4)把刻有圖形的樣品清洗后再放入金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統中進行二次外延生長；
5)首先在1030°C下生長一層O. 5 4 μ m的第2N型GaN層4，控制生長條件使得兩相鄰窗口區的第2N型GaN層4在掩膜層上愈合，形成具有截面為梯形，表明為非平面的外延片結構；
6)接著在具有截面為梯形的非平面的第2N型GaN層4上降溫生長5個周期的 InGaN/GaN多量子阱作為 LED結構材料所需的多量子阱層5，并使最終的表面仍具有截面為梯形的結構；
7)最后在950°C生長一薄層10 50nm厚的P型AlGaN層和一層較厚的摻鎂P型 GaN層6，改變生長條件，增大P型GaN層的側向生長速率，使得側向生長速率大于縱向生長速率，最終得到平整表面的外延片。
綜上所述，本發明提供了一種利用側向外延生長技術在弱極性面上生長得到非平面的有源層結構的發光二極管及其制備方法。在器件制備過程中，通過在弱極性面上生長發光二極管的有源層結構，從而降低有源層的極化電場，增大有源層的有效發光面積，提高其發光效率。
權利要求
1.一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片，其特征在于設有藍寶石襯底、未摻雜的GaN緩沖層、第IN型GaN層、介質層、第2N型GaN層、3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱層、P型AlGaN層和P型GaN層；所述未摻雜的GaN層、第IN型GaN層、介質層、第2N型 GaN層、3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱、P型AlGaN層和P型GaN層從下至上依次設在藍寶石襯底上。
2.如權利要求I所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片，其特征在于所述介質層為SiO2層或SiN層。
3.如權利要求I所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于其具體步驟如下1)將(0001)面的藍寶石襯底裝入反應室，在H2氣氛下加熱對襯底進行熱處理后再降溫，生長GaN緩沖層；2)在GaN緩沖層上生長第IN型GaN層，降溫后取出樣品；3)在第IN型GaN層上沉積SiO2層或SiN層作為介質層，分別沿第IN型GaN的<11G()> 或方向刻出窗口作為圖形襯底，得到帶有圖形襯底的樣品;4)樣品清洗后放入低壓金屬有機化學氣相沉積系統中進行二次外延生長首先在4下生長第2Ν型GaN層，接著在N2氣氛下生長InGaN/GaN多量子阱有源層；5)在H2下生長摻鎂P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，得到外延片后，將外延片在N2氣下退火，得弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片。
4.如權利要求3所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述在H2氣氛下加熱的溫度在1050°C以上，所述熱 處理的時間可為10 20min，所述降溫的溫度可為500 600°C，所述GaN緩沖層的生長厚度可為10 40nmo
5.如權利要求3所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述在GaN緩沖層上生長第IN型GaN層的溫度可為950 1100°C，所述第IN型GaN層的厚度可為O. 5 2 μ m。
6.如權利要求3所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述在第IN型GaN層上沉積SiO2層或SiN層的溫度為200 300°C 下，所述沉積的方法可采用PE-CVD沉積法，所述SiO2層或SiN層的厚度可為100 200nm。
7.如權利要求3所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述窗口的形狀為條形窗口，六邊形窗口，菱形窗口或圓形窗口，所述條形窗口的周期為8 20 μ m ;所述六邊形窗口的外接圓的直徑為5 10 μ m,周期為 10 20 μ m ;所述菱形窗口的周期為10 20 μ m ;所述圓形窗口的直徑為5 10 μ m,周期為 10 20 μ m。
8.如權利要求3所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述在H2下生長第2N型GaN層的溫度可為950 1100°C，所述第2N 型GaN層的厚度可為O. 5 4 μ m。
9.如權利要求3所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述在N2氣氛下生長InGaN/GaN多量子阱有源層的溫度為700 ·900°C，所述InGaN/GaN多量子阱有源層可生長3 10個周期。
10.如權利要求3所述的一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片的制備方法，其特征在于在步驟5)中，所述在H2下生長摻鎂P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層的溫度為 900 1100°C;所述摻鎂P型AlGaN層的厚度可為10 50nm ;所述退火的溫度可為700 850°C，所述退火·的時間可為10 20min。
全文摘要
一種弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片及其制備方法，涉及一種發光二極管。弱極性面上氮化鎵基發光二極管外延片設有藍寶石襯底、未摻雜的GaN緩沖層、第1N型GaN層、介質層、第2N型GaN層、3～10個周期的InGaN/GaN多量子阱層、P型AlGaN層和P型GaN層；所述未摻雜的GaN層、第1N型GaN層、介質層、第2N型GaN層、3～10個周期的InGaN/GaN多量子阱、P型AlGaN層和P型GaN層從下至上依次設在藍寶石襯底上；所述介質層為SiO2層或SiN層。晶體質量較好，可提高LED的內量子效率，在弱極性面上實現非平面的有源層結構。
文檔編號H01L33/00GK102969419SQ201210568649
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者朱麗虹, 劉寶林, 劉維翠 申請人:廈門大學