一種高發光效率氮化鎵基led外延片的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子器件領域，具體涉及一種高發光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法。
【背景技術】
[0002]氮化鎵基發光二極管(Light Emitting D1de，LED)具有高亮度、低能耗、長壽命、響應速度快及環保等特點，廣泛地應用于室內及路燈照明、交通信號以及戶外顯示、汽車車燈照明、液晶背光源等多個領域。因此，大功率白光LED被認為是21世紀的照明光源。
[0003]為了獲得高亮度的LED，關鍵要提高器件的內量子效率和外量子效率。目前藍光GaN基的LED內量子效率可達80%以上，但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40%左右。制約外量子效率提高的主要因素是芯片的光提取效率較低，這是因為GaN材料的折射率(n = 2.5)與空氣的折射率(η= I)和藍寶石襯底的折射率(η= 1.75)相差較大，導致空氣與GaN界面以及藍寶石與GaN界面發生全反射的臨界角分別只有23.6°和44.4°，有源區產生的光只有少數能夠逃逸出體材料。為了提高芯片的光提取效率，目前國內外采用的主要技術方案有生長分布布喇格反射層(DBR)結構、圖形化襯底(PSS)技術、表面粗化技術和光子晶體技術等。PSS對圖形的規則度要求很高，加之藍寶石襯底比較堅硬，無論是干法刻蝕還是濕法刻蝕工藝，在整片圖形的一致性和均勻性上都有一定的難度，且制作過程對設備和工藝要求很高，導致成本偏高。DBR和光子晶體制作工藝相對復雜、成本較高，而表面粗化技術采用干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝，也存在很大挑戰。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術中存在的上述缺陷，提供一種高發光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法，且該方法簡單，制備成本較低。
[0005]本發明是采用如下的技術方案實現的:一種高發光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
步驟一:將藍寶石襯底在反應腔氫氣氛圍中進行高溫清潔襯底表面，溫度為1060-1100°C，時間為 5min_10min;
步驟二:將反應腔溫度降低到520-550°C，然后在處理好的藍寶石襯底上生長低溫GaN成核層，成核層厚度為20_40nm ；
步驟三:對低溫GaN成核層進行退火，將反應腔溫度升高到950-1050°C，并穩定2min，此過程中通入NH3氣體，經過退火處理的GaN成核層由非晶層轉變為GaN 3D島狀結構；
步驟四:通入金屬有機源TMGa和NH3氣體，在GaN 3D島狀結構上生長非故意摻雜的GaN層，生長厚度為2?4um ；
步驟五:將反應腔溫度控制在1050-1100°C，關閉NH3氣體和金屬有機源TMGa，通入N2氣體和H2氣體，在反應腔壓力為100-300Torr時用H2刻蝕15-30min，再在壓力為500-700Torr時用H2刻蝕10-20min，刻蝕過程中H2流量為0.5-1.5slm，N2流量為1.5-3.5slm，得到鏤空GaN結構；
步驟六:通入NH3氣體和金屬有機源TMGa，關閉H2氣體，在H2處理后的鏤空GaN結構上生長平坦化GaN層，厚度為I?2um，生長溫度為1050_1200°C，生長壓力為50_300Torr；
步驟七:生長Si摻雜的GaN層，該層載流子濃度為1018-1019cm—3，厚度為l_3um，生長溫度為 1050-1200°C，生長壓力為 50-300Torr;
步驟八:生長3-6個周期的多量子阱結構，其中皇層為GaN，阱層為InGaN，In組分以質量分數計為10-30%，阱層厚度為2-5nm，生長溫度為700_800°C，皇層厚度為8_13nm，生長溫度為800-950°C，生長過程中壓力為200-500Torr；
步驟九:生長20-50nm厚的p-AlGaN電子阻擋層，該層中Al組分以質量分數計為10-20%，空穴濃度為 1017-1018cm—3，生長溫度為 850°C-1000°C，壓力為50-300Torr;
步驟十:生長Mg摻雜的GaN層，厚度為100-300nm，生長溫度為850-1000°C，生長壓力為100-500Torr，空穴濃度為 1017_1018cm—3 ；
步驟十一:外延生長結束后，將反應室的溫度降至650-800°C，在純氮氣氛圍中進行退火處理5-15min，然后降至室溫，結束生長，得到外延片。
[0006]本發明所述外延生長過程均在金屬有機化學氣相沉積工藝(MOCVD)的MOCVD反應腔中進行，LED外延結構從下向上的順序依次包括藍寶石襯底、低溫GaN成核層、鏤空結構的非摻雜GaN層、N型GaN層、多量子阱有源層、電子阻擋層及P型GaN層，所述外延生長過程中以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別為Ga、Al、111和對原。硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)為N、P型摻雜劑。
[0007]本發明通過以上工藝，在藍寶石襯底上生長出表面平整而內部鏤空的GaN非摻雜層，該鏤空結構的GaN非摻雜層，不僅能夠減少全內反射，提高光的提取效率，還能夠降低應力，減少后續外延層中的缺陷，提高外延片的晶體質量，因而提高了發光效率。
【附圖說明】
[0008]圖1為現有技術生長外延片的流程圖，其在藍寶石襯底上依次層疊生長低溫成核層、非摻雜GaN層、N型GaN、多量子阱有源層、電子阻擋層、P型GaN層。
[0009]圖2為本發明生長的外延片流程圖，其在藍寶石襯底上先生長低溫成核層和GaN非摻雜層，再用H2刻蝕GaN非摻雜層獲得鏤空結構的GaN層，再依次生長平坦化GaN非摻雜層、N型GaN層、多量子阱有源層、電子阻擋層、P型GaN層。
[0010]圖3為在外延片上生長非故意摻雜GaN層之后的示意圖。
[0011]圖4為在反應腔壓力為100Torr-300Torr時用H2高溫刻蝕非故意摻雜GaN層之后的示意圖。
[0012]圖5為在反應腔壓力為500Torr-700Torr時H2高溫刻蝕非故意摻雜GaN層之后的示意圖。
[0013]圖6為生長平坦化的GaN層之后的示意圖。
[0014]圖7為分別采用本發明提供的方法生長的外延片與傳統方法生長的外延片所制成的LED芯片電致發光強度對比圖。
【具體實施方式】
[0015]實施例一:
一種高發光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
步驟一:將藍寶石襯底在反應腔氫氣氛圍中進行高溫清潔襯底表面，溫度為1060°C，時間為1min;
步驟二:將反應腔溫度降低到520°C，然后在處理好的藍寶石襯底上生長低溫GaN成核層，成核層厚度為20nm;
步驟三:對低溫GaN成核層進行退火，將反應腔溫度升高到950°C，并穩定2min，此過程中通入NH3氣體，經過退火處理的GaN成核層由非晶層轉變為GaN 3D島狀結構；
步驟四:通入金屬有機源TMGa和NH3氣體，在GaN 3D島狀結構上生長非故意摻雜的GaN層，生長厚度為2um;
步驟五:將反應腔溫度控制在1050°C，關閉NH3氣體和金屬有機源TMGa，通入N2氣體和H2氣體，在反應腔壓力為10Torr時用H2刻蝕15min，再在壓力為500Torr時用H2刻蝕1minJlJ蝕過程中H2流量為0.5slm，N2流量為1.5s Im，得到鏤空GaN結構；
步驟六:通入NH3氣體和金屬有機源TMGa，關閉H2氣體，在H2處理后的鏤空GaN結構上生長平坦化GaN層，厚度為lum，生長溫度為1050°C，生長壓力為50Torr;
步驟七:生長Si摻雜的GaN層，該層載流子濃度為118Cnf3，厚度為Ium，生長溫度為1050°C，生長壓力為50Torr;
步驟八:生長3個周期的多量子阱結構，其中皇層為GaN，阱層為InGaN，In組分以質量分數計為30%，阱層厚度為2nm，生長溫度為700°C，皇層厚度為8nm，生長溫度為800°C，生長過程中壓力為200Torr;
步驟九:生長20nm厚的p-AlGaN電子阻擋層，該層中Al組分以質量分數計為10%，空穴濃度為1017cm—3，生長溫度為850°C，壓力為50Torr;
步驟十:生長Mg摻雜的GaN層，厚度為lOOnm，生長溫度為850°C，生長壓力為10Torr，空穴濃度為117Cnf3;
步驟十一:外延生長結束后，將反應室的溫度降至650°C，在純氮氣氛圍中進行退火處理15min，然后降至室溫，結束生長，得到外延片，外延片經過清洗、沉積、光刻和刻蝕后制成單顆小尺寸芯片。
[0016]實施例二:
一種高發光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
步驟一:將藍寶石襯底在反應腔氫氣氛圍中進行高溫清潔襯底表面，溫度為1100°C，時間為5min;
步驟二:將反應腔溫度降低到550°C，然后在處理好的藍寶石襯底上生長低溫GaN成核層，成核層厚度為40nm ；
步驟三:對低溫GaN成核層進行退火，將反應腔溫度升高到1050°C，并穩定2min，此過程中通入NH3氣體，經過退火處理的GaN成核層由非晶層轉變為GaN 3D島狀結構；
步驟四:通入金屬有機源TMGa和NH3氣體，在GaN 3D島狀結構上生長非故意摻雜的GaN層，生長厚度為4um;
步驟五:將反應腔溫度控制在1100°C，關閉NH3氣體和金屬有機源TMGa，通入N2氣體和H2氣體，在反應腔壓力為300Torr時用H2刻蝕30min，再在壓力為700Torr時用H2刻蝕20min，刻蝕過程中H2流量為1.5s Im，N2流量為3.5s Im，得到鏤空GaN結構；
步驟六:通入NH3氣體和金屬有機源TMGa，關閉H2氣體，在H2處理后的鏤空GaN結構上生長平坦化GaN層，厚度為2um，生長溫度為1200°C，生長壓力為300Torr ；
步驟七:生長Si摻雜的GaN層，該層載流子濃度為119Cnf3，厚度為3um，生長溫度為1200°C，生長壓力為3OOTorr;
步驟八:生長4個周期的多量子阱結構，其中皇層為GaN，阱層為InGaN，In組分以質量分數計為10%，阱層厚度為5nm，生長溫度為800°C，皇層厚度為13nm，生長溫度為950°C，生長過程中壓力為500Torr;
步驟九:生長50nm厚的p-AlGaN電子阻擋層，該層中Al組分以質量分數計為20%，空穴濃度為1018cm—3，生長溫度為1000°C，壓力為300Torr;
步驟十:生長Mg摻雜的GaN層，厚度為300nm，生長溫度為1000°C，生長壓力為500Torr，空穴濃度為1018cm—3;
步驟十一:外延生長結束后，將反應室的溫度降至800°C，在純氮氣氛圍中進行退火處理5min，然后降至室溫，結束生長，得到外延片，外延片經過清洗、沉積、光刻和刻蝕后制成單顆小尺寸芯片。
[0017] 實施例三:
一種高發光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
步驟一:將藍寶石襯底在反應腔氫氣氛圍中進行高溫清潔襯底表面，溫度為1070°C，時間為8min;
步驟二:將反應腔溫度降低到530°C，然后在處理好的藍寶石襯底上生長低溫GaN成核層，成核層厚度為25nm;
步驟三:對低溫GaN成核層進行退火，將反應腔溫度升高到980°C，并穩定2min