[發明專利]一種高發光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法

有效

• 申請號: 201610132461.3
• 申請日: 2016-03-09
• 公開（公告）號: CN105552182B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 盧太平;朱亞丹;許并社
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L21/02;C30B29/40;C30B25/02;C30B33/02
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源

技術領域

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

氮化鎵基發光二極管（Light Emitting Diode，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。

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(n＝1)和藍寶石襯底的折射率(n＝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

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。

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℃，時間為5min-10min；

步驟二：將反應腔溫度降低到520-550℃，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℃，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℃，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1~2um，生長溫度為1050-1200℃，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1-3um，生長溫度為1050-1200℃，生長壓力為 50-300Torr；

步驟八：生長 3-6個周期的多量子阱結構，其中壘層為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℃，壘層厚度為 8-13nm，生長溫度為 800-950℃，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℃-1000℃，壓力為50-300Torr；