一種氮化鎵基外延片及生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氮化鎵基外延片及生長方法，在n型GaN材料中形成光的微反射層，該層處在有源層和襯底之間，能夠?qū)⑸湎蛞r底的光反射回表面或側(cè)面，減少襯底對光的吸收，提高了LED的外量子效率，進而提高了LED外延片的出光效率。本發(fā)明的外延片按常規(guī)芯片工藝制成300×300μm2的以ITO為透明電極的芯片，可得到10%?20%的亮度提升。
【專利說明】
一種氮化鎵基外延片及生長方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及LED外延技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有埋藏在n型GaN材料中的微反射層的氮化鎵基外延片及生長方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]自GaN基第三代半導(dǎo)體材料的興起，藍色發(fā)光二極管(LED)的研制成功，發(fā)光強度和白光發(fā)光效率的不斷提高，LED已經(jīng)被公認為最有可能進入通用照明領(lǐng)域的新型固態(tài)冷光源，因而在近年來成為全球關(guān)注的焦點。近年來，高亮度藍綠光LED發(fā)展迅速，已成為全彩色高亮度大型戶外顯示屏、交通信號燈等必需的發(fā)光器件，同時，由藍光LED激發(fā)黃色熒光粉制作的白光LED已大量應(yīng)用于背光源、汽車照明等領(lǐng)域，并在固體照明光源領(lǐng)域顯示了巨大的應(yīng)用潛力。
[0003]隨著LED的應(yīng)用越來越廣泛，如何提高GaN基LED的發(fā)光效率越來越成為關(guān)注的焦點，目前高亮度的GaN基材料主要通過提高光提取效率和內(nèi)量子效率來增強出光強度。對于給定內(nèi)量子效率的LED，光提取效率為逃逸到空氣中的光子能量與有源層發(fā)出的光子的能量之比。光提取效率是LED的一個重要參數(shù)，然而對于GaN基LED，所使用的GaN材料的折射率為2.4,對應(yīng)于臨界全反射角0c=24.5°，而超過該角度入射的光子將會被反射回去，繼續(xù)在 GaN內(nèi)傳播。對于傳統(tǒng)平行腔結(jié)構(gòu)的LED，反射回來的光子很大一部分將被限制在腔內(nèi)，最終被完全吸收。理論分析只有百分二十幾的光子能夠逃逸出去，光提取效率還有很大的提升空間。目前光提取效率提升主要采用圖形化襯底、P型層的粗化和激光剝離工藝來實現(xiàn)。
[0004]由于工藝和技術(shù)的成熟，已經(jīng)可以制備內(nèi)量子效率達到70%-80%的GaN基LED。因此，通過提高內(nèi)量子效率來大幅度提高LED發(fā)光效率已沒有很大的余地(夏長生等人2006年在《半導(dǎo)體學(xué)報》中發(fā)表的《拋物線型襯底InGaN/GaN發(fā)光二極管的模擬研究》)。半導(dǎo)體照明 LED關(guān)鍵技術(shù)之一也就是如何通過提高外量子效率來提升其出光效率。周建華等人提出了一種提高GaN基LED亮度的方法(中國專利公開號CN102347410 A)，其通過腐蝕藍寶石襯底， 粗化藍寶石襯底與GaN的界面，形成粗化表面，減弱GaN表面對有源區(qū)發(fā)光的全反射，從而提高GaN基LED的亮度。但這種方法形成的粗化表面很難腐蝕均勻，不利于得到好的晶體質(zhì)量和外延表面，工藝技術(shù)相對復(fù)雜。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提供一種氮化鎵基外延片及生長方法，提高了 LED外延片的出光效率、進而提高GaN基LED器件亮度的。在n型GaN材料中間形成一層微反射層，該層“埋藏”在n型GaN材料中，由細小均勻分布的游離金屬滴構(gòu)成。
[0006]本發(fā)明是通過下述方案實現(xiàn)的:一種氮化鎵基外延片，其結(jié)構(gòu)包括:襯底、低溫GaN緩沖層、非摻雜GaN層、n型GaN層、多量子講層、下P型GaN層、p型錯鎵氮層、上p型GaN層、高摻雜p型電極接觸層;在所述n型GaN層上設(shè)有由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層;在所述微反射層上設(shè)有n型GaN覆蓋層。
[0007] 所述n型GaN層厚度為0.5-2W1。[〇〇〇8] 所述n型GaN覆蓋層厚度為0.5-2蘭。
[0009]—種上述氮化鎵基外延片的生長方法，包括如下步驟:(1)對襯底進行高溫凈化；(2)采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法，在500?600°C的溫度下，在藍寶石襯底上生長低溫GaN緩沖層；(3)在1000~1200°C的溫度下，生長非摻雜GaN層；(4)在1000~1200°C的溫度下，生長0.5-2M1厚的n型GaN層；(5)在1000?1200°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為200-600tor條件下，將生長條件切換至氫氣氣氛，氫氣流量為20 L/min -200L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長2秒-200秒;在n型GaN層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；(6)同步驟(4)條件，生長0.5-2M1厚的n型GaN覆蓋層；(7)在N2環(huán)境中，700?900°C的溫度下，生長多量子講層；(8)在800?1050°C的溫度下，生長下p型GaN層；(9)在900?1150°C的溫度下，生長p型鋁鎵氮層；(10)在850~1150°C的溫度下，生長上p型GaN層；(11)在850?1150°C的溫度下，生長高摻雜p型電極接觸層。
[0010]本發(fā)明外延生長采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposit1n);襯底選用(0001)晶向的藍寶石;金屬有機源采用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMA1);氮源為氨氣(NH3);n型摻雜劑為200ppm 的出攜載的硅烷(SiH4);p型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg)。
[0011]本發(fā)明在生長一段n型GaN層后，將反應(yīng)室生長條件切換至氫氣氣氛，同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長一段時間，此時將發(fā)生以下反應(yīng):2GaN+3H2—2Ga+ 2NH3，n型GaN層部分分解，在外延薄膜上形成細小均勾分布的游離金屬滴，即Ga金屬滴，人為制造一種均勻分布的“反射鏡”，在有源層和襯底之間形成微反射層。該微反射層起到了反射光的作用，能夠?qū)⑸湎蛞r底的光反射回表面或側(cè)面，減少襯底對光的吸收，提高了LED 外延片的外量子效率，進而提高了LED外延片的出光效率。增加了LED芯片的光電轉(zhuǎn)化效率， 工藝技術(shù)相對簡單。[〇〇12]本發(fā)明的外延片按照標準芯片工藝制作成300 X 300mm2的以IT0為透明電極的芯片。在測試電流為20mA的標準下，裸芯的亮度比傳統(tǒng)工藝會有10%-20%的提高。
[0013]【附圖說明】[〇〇14]圖1為本發(fā)明氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)示意圖；其中:101 —襯底；102—低溫GaN緩沖層；103—非摻雜GaN層；104—n型GaN層；105—微反射層；106—n型GaN覆蓋層；107—多量子阱層；108—下p型GaN層；109—p型鋁鎵氮層； 110—上P型GaN層；111 一高摻雜p型電極接觸層。
[0015]實施例
[0016]實施例1參照附圖1，本實施例中氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)包括:襯底、低溫GaN緩沖層、非摻雜GaN 層、0.5mm厚的n型GaN層、游離金屬滴構(gòu)成的微反射層、0.5mm厚的n型GaN覆蓋層、多量子阱層、下P型GaN層、p型鋁鎵氮層、上p型GaN層、高摻雜p型電極接觸層。
[0017]該氮化鎵基外延片采用M0CVD法外延生長:1.將(0001)晶向的藍寶石襯底放入反應(yīng)室中，然后在出環(huán)境中升溫至1100°C，穩(wěn)定10 分鐘，對襯底進行高溫凈化。
[0018]2.降溫至55(TC生長28nm厚的低溫GaN緩沖層。
[0019]3.升溫至1050°C生長1mm厚的非摻雜GaN層。
[0020]4?在 1100°C 生長 0.5mm 厚的 n 型 GaN 層。[〇〇21]5.在1100°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為400tor條件下，將生長條件切換至氫氣氣氛，氫氣流量為20 L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長2秒;在n型GaN 層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；6.同步驟(4)條件，生長0.5mm厚的n型GaN覆蓋層。[〇〇22]7.在吣環(huán)境中生長5個周期的多量子阱層，GaN皇層:厚度為15nm，生長溫度為850°C ; InGaN阱層:厚度為2nm，生長溫度為750°C 〇[〇〇23]8.升溫至900°C生長20nm厚度的下p型GaN層。[〇〇24]9.升溫至1050°C生長50nm厚度的p型鋁鎵氮層。
[0025]10 ?在950°C生長150nm厚度的上p型GaN層。[〇〇26]11.在950°C生長20nm厚度的高摻雜p型電極接觸層。
[0027]12.降溫至750。(:，退火1〇111111。[〇〇28]13 ?降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0029]在n型GaN材料中形成光的微反射層，該層處在有源層和襯底之間，能夠?qū)⑸湎蛞r底的光反射回表面或側(cè)面，減少襯底對光的吸收，本實施例得到的外延片按照標準芯片工藝制作成300 X 300mm2的以IT0為透明電極的芯片。測試后，亮度比傳統(tǒng)工藝提高了 10%。
[0030]實施例2本實施例中氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，不同在于n型GaN層為2mm厚，n 型GaN覆蓋層為2mm厚。
[0031]該氮化鎵基外延片采用M0CVD法外延生長:1.將(0001)晶向的藍寶石襯底放入反應(yīng)室中，然后在出環(huán)境中升溫至1100°C，穩(wěn)定10 分鐘，對襯底進行高溫凈化。[〇〇32]2.降溫至55(TC生長28nm厚的低溫GaN緩沖層。[〇〇33]3.升溫至105(TC生長1mm厚的非摻雜GaN層。
[0034]4.在115(TC 生長 2mm 厚的 n 型 GaN 層。[〇〇35]5.在1150°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為600tor條件下，將生長條件切換至氫氣氣氛，氫氣流量為200 L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長200秒;在n型 GaN層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；6.同步驟(4)條件，生長2mm厚的n型GaN覆蓋層。[〇〇36]7.在犯環(huán)境中生長5個周期的多量子阱層，GaN皇層:厚度為15nm，生長溫度為850°C ; InGaN阱層:厚度為2nm，生長溫度為750°C 〇[〇〇37]8.升溫至90(TC生長20nm厚度的下p型GaN層。[〇〇38]9.升溫至1050°C生長50nm厚度的p型鋁鎵氮層。
[0039]10 ?在95(TC生長150nm厚度的上p型GaN層。[〇〇4〇]11.在950°C生長20nm厚度的高摻雜p型電極接觸層。[0041 ]12.降溫至750°C，退火lOmin。[〇〇42]13.降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0043]本實施例得到的外延片按照標準芯片工藝制作成300 X 300mm2的以ITO為透明電極的芯片。測試后，亮度比傳統(tǒng)工藝提高了 15%。
[0044]實施例3本實施例中氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，不同在于n型GaN層為1.25mm 厚，n型GaN覆蓋層為1.25mm厚。
[0045]該氮化鎵基外延片采用MOCVD法外延生長:1.將(0001)晶向的藍寶石襯底放入反應(yīng)室中，然后在出環(huán)境中升溫至1100°C，穩(wěn)定10 分鐘，對襯底進行高溫凈化。
[0046]2.降溫至550°C生長28nm厚的低溫GaN緩沖層。
[0047]3.升溫至1050°C生長1mm厚的非摻雜GaN層。
[0048]4?在 1000°C 生長 1.25mm 厚的 n 型 GaN 層。[〇〇49]5.在1000°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為300tor條件下，將生長條件切換至氫氣氣氛，氫氣流量為110 L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長101秒;在n型 GaN層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；6.同步驟(4)條件，生長1.25mm厚的n型GaN覆蓋層。
[0050]7.在吣環(huán)境中生長5個周期的多量子阱層，GaN皇層:厚度為15nm，生長溫度為850°C ; InGaN阱層:厚度為2nm，生長溫度為750°C 〇[0051 ]8.升溫至900°C生長20nm厚度的下p型GaN層。[〇〇52]9.升溫至1050°C生長50nm厚度的p型鋁鎵氮層。
[0053]10 ?在950°C生長150nm厚度的上p型GaN層。[〇〇54]11.在950°C生長20nm厚度的高摻雜p型電極接觸層。
[0055]12.降溫至750。(:，退火1〇111111。[〇〇56]13.降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0057]本實施例得到的外延片按照標準芯片工藝制作成300 X 300mm2的以ITO為透明電極的芯片。測試后，亮度比傳統(tǒng)工藝提高了 13%。
[0058]實施例4本實施例中氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，不同在于n型GaN層為1mm厚，n 型GaN覆蓋層為1.5mm厚。
[0059]該氮化鎵基外延片采用M0CVD法外延生長:1.將(0001)晶向的藍寶石襯底放入反應(yīng)室中，然后在出環(huán)境中升溫至1100°C，穩(wěn)定10 分鐘，對襯底進行高溫凈化。
[0060]2.降溫至55(TC生長28nm厚的低溫GaN緩沖層。[0061 ]3.升溫至1050°C生長1mm厚的非摻雜GaN層。
[0062]4?在 1080°C 生長 1mm 厚的 n 型 GaN 層。[〇〇63]5.在1080°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為500tor條件下，將生長條件切換至氫氣氣氛，氫氣流量為100 L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長50秒；在n型 GaN層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；6.同步驟(4)條件，生長1.5mm厚的n型GaN覆蓋層。[〇〇64]7.在吣環(huán)境中生長5個周期的多量子阱層，GaN皇層:厚度為15nm，生長溫度為850°C ; InGaN阱層:厚度為2nm，生長溫度為750°C 〇
[0065]8.升溫至90(TC生長20nm厚度的下p型GaN層。[〇〇66]9.升溫至1050°C生長50nm厚度的p型鋁鎵氮層。
[0067]10 ?在950°C生長150nm厚度的上p型GaN層。[〇〇68]11.在950°C生長20nm厚度的高摻雜p型電極接觸層。
[0069]12.降溫至750。(:，退火1〇111111。[〇〇7〇] 13 ?降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0071]本實施例得到的外延片按照標準芯片工藝制作成300 X 300mm2的以IT0為透明電極的芯片。測試后，亮度比傳統(tǒng)工藝提高了 20%。
[0072]實施例5本實施例中氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，不同在于n型GaN層為1.5mm厚， n型GaN覆蓋層為1mm厚。
[0073]該氮化鎵基外延片采用M0CVD法外延生長:1.將(0001)晶向的藍寶石襯底放入反應(yīng)室中，然后在出環(huán)境中升溫至1100°C，穩(wěn)定10 分鐘，對襯底進行高溫凈化。[〇〇74]2.降溫至550°C生長28nm厚的低溫GaN緩沖層。[〇〇75]3.升溫至1050°C生長1mm厚的非摻雜GaN層。
[0076]4.在 1200°C 生長 1.5mm 厚的 n 型 GaN 層。[〇〇77]5.在1200°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為200tor條件下，將生長條件切換至氫氣氣氛，氫氣流量為120 L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長30秒；在n型GaN層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；6.同步驟(4)條件，生長1mm厚的n型GaN覆蓋層。[〇〇78] 7.在犯環(huán)境中生長5個周期的多量子阱層，GaN皇層:厚度為15nm，生長溫度為850°C ; InGaN阱層:厚度為2nm，生長溫度為750°C 〇[〇〇79] 8.升溫至900°C生長20nm厚度的下p型GaN層。[〇〇8〇] 9.升溫至105(TC生長50nm厚度的p型鋁鎵氮層。[0081 ]10 ?在950°C生長150nm厚度的上p型GaN層。[〇〇82]11.在950°C生長20nm厚度的高摻雜p型電極接觸層。
[0083]12.降溫至750。(:，退火1〇111111。[〇〇84]13 ?降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0085]本實施例得到的外延片按照標準芯片工藝制作成300 X 300mm2的以IT0為透明電極的芯片。測試后，亮度比傳統(tǒng)工藝提高了 18%。
[0086]實施例6本實施例中氮化鎵基外延片結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，不同在于n型GaN層為1.25mm 厚，n型GaN覆蓋層為1.25mm厚。
[0087]該氮化鎵基外延片采用M0CVD法外延生長:1.將(0001)晶向的藍寶石襯底放入反應(yīng)室中，然后在出環(huán)境中升溫至1100°C，穩(wěn)定10 分鐘，對襯底進行高溫凈化。
[0088]2.降溫至55(TC生長28nm厚的低溫GaN緩沖層。
[0089]3.升溫至1050°C生長1mm厚的非摻雜GaN層。
[0090] 4?在 1060°C 生長 1.25mm 厚的 n 型 GaN 層。[〇〇91]5.在1060°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為550tor條件下，將生長條件切換至氫氣氣氛，氫氣流量為80 L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止生長100秒；在n型 GaN層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；6.同步驟(4)條件，生長1.25mm厚的n型GaN覆蓋層。[〇〇92] 7.在吣環(huán)境中生長5個周期的多量子阱層，GaN皇層:厚度為15nm，生長溫度為850°C ; InGaN阱層:厚度為2nm，生長溫度為750°C 〇
[0093] 8.升溫至900°C生長20nm厚度的下p型GaN層。[〇〇94] 9.升溫至1050°C生長50nm厚度的p型鋁鎵氮層。
[0095]10 ?在950°C生長150nm厚度的上p型GaN層。[〇〇96]11.在950°C生長20nm厚度的高摻雜p型電極接觸層。
[0097]12.降溫至750。(:，退火1〇111111。[〇〇98]13 ?降溫至室溫，生長結(jié)束。[〇〇99]本實施例得到的外延片按照標準芯片工藝制作成300 X 300mm2的以IT0為透明電極的芯片。測試后，亮度比傳統(tǒng)工藝提高了 14%。
【主權(quán)項】
1.一種氮化鎵基外延片，其結(jié)構(gòu)包括:襯底、低溫GaN緩沖層、非摻雜GaN層、n型GaN層、 多量子阱層、下P型GaN層、p型鋁鎵氮層、上p型GaN層、高摻雜p型電極接觸層，其特征在于: 在所述n型GaN層上設(shè)有由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層;在所述微反射層上設(shè)有n型GaN覆蓋層。2.如權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基外延片，其特征在于:所述n型GaN層厚度為0.5-2y m〇3.如權(quán)利要求1或2所述的一種氮化鎵基外延片，其特征在于:所述n型GaN覆蓋層厚度 為0.5-2蘭。4.一種權(quán)利要求1所述氮化鎵基外延片的生長方法，其特征在于:包括如下步驟:(1)對襯底進行高溫凈化；(2)采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法，在藍寶石襯底上生長低溫GaN緩沖層；(3)生長非摻雜GaN層；(4)在1000~1200°C的溫度下，生長0.5-2蘭厚的n型GaN層；(5)在1000?1200°C的溫度下，反應(yīng)室壓力為200-600tor條件下，將生長條件切換至 氫氣氣氛，氫氣流量為20 L/min -200L/min;同時將進入反應(yīng)室的NH3和TMGa源關(guān)閉，停止 生長2秒-200秒;在n型GaN層上形成由游離金屬滴構(gòu)成的微反射層；(6)同步驟(4)條件，生長0 ? 5-2ym厚的n型GaN覆蓋層；(7)在他環(huán)境中，生長多量子阱層；(8)生長下p型GaN層；(9)生長p型鋁鎵氮層；(10)生長上P型GaN層；(11)生長高摻雜P型電極接觸層。
【文檔編號】H01L33/00GK106098886SQ201210310935
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2012年8月29日
【發(fā)明人】肖志國, 展望, 楊天鵬, 關(guān)秋云, 張博, 武勝利
【申請人】大連美明外延片科技有限公司