[發明專利]一種改善GaN外延片性質并增強GaN基LED發光性能的方法

在審

• 申請號: 201711354577.2
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN108054247A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 張勇
• 申請（專利權）人: 佛山東燊金屬制品有限公司
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 佛山幫專知識產權代理事務所(普通合伙) 44387
• 代理人: 顏春艷

本發明提出了一種改善GaN外延片性質并增強GaN基LED發光性能的方法，GaN外延片的厚度為450μm，其最上層為380nm厚摻Mg的p型GaN層；進行激光輻照實驗前，將其剪裁成邊長為10mm的正方形，之后將樣品分別依次浸入乙醇、丙酮和去離子水中超聲清洗約5min；然后采用LP 305i F型準分子激光器在空氣中對Ga N樣品進行激光輻照，激光波長為248nm，重復頻率為3Hz和10Hz，激光能量密度為300～800m J/cm。激光輻照與在N2氣氛下退火相結合的方法可以較大幅度地提升GaN外延片的電學與發光性能以及LED器件的發光性能，其LED器件的光出射功率與未進行輻照與退火處理的樣品相比可提升約37％。

技術領域

本發明涉及一種改善GaN外延片性質并增強GaN基LED發光性能的方法。

背景技術

GaN作為第三代半導體材料，其電子飽和速率、擊穿電場、導熱率、帶隙均高于前兩代半導體材料Si和GaAs，非常適合用來制作藍、綠光和紫外光發光二極管(LED)、電荷耦合器件(CCD)、高速存儲器、大功率器件及要求暗電流比較低的光探測器。近年來，隨著科技的迅猛發展，人們對于電子器件擁有高頻率、寬帶寬、高效率、大功率等優勢的愿望更加迫切，而以GaN為代表的寬禁帶半導體正可以在這些方面滿足人類生產生活的需要，更是成為半導體材料研究領域的熱點。

但是，GaN在生長襯底的選擇和在生長過程中背景載流子濃度過高以及p型摻雜濃度較低的情況均在很大程度上制約了其在工業生產中的廣泛應用。目前，采用各種方法生長出的GaN大多不可避免地含有一定數量的N空位缺陷(VN)，導致非摻雜GaN均為n型半導體，本底電子濃度在10～4×10cm左右，呈現出高電導的情況。而p型GaN屬補償材料，且一般均用Mg元素作為受主摻雜雜質。Ga N中的H元素主要來自生長過程中NH3分解產生的H，因此在金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)生長的Ga N薄膜中，H的引入是無法避免的。目前GaN的受主雜質可控摻雜濃度僅在10～10cm之間，這意味著外延生長的p型Ga N的電學性能有較大的提升空間，這對于提高GaN基LED的發光性能也大有裨益。所以對于外延生長的GaN，需要采用一種新的有效的方法使其物理性能得到進一步的改善，以適應諸如LED等對于Ga N各種性質的要求。近期也報道了不少關于解決此方面難題的研究。于莉媛等對Ga N基LED外延片進行了電子束輻照實驗，研究了不同能量的電子束輻照對Ga N基LED發光性能的影響。結果表明：在1.5Me V電子束輻照下，采用10k Gy劑量輻照時，LED的發光強度增加約25％；而在100k Gy劑量輻照時，LED的發光強度降低約16％，且電子束輻照可使原來色純度不高的LED色純度變好，而更高能量的輻照將會引起器件失效。但電子束輻照參數控制較為單一，難以將材料性質改善到最佳狀態，且在特定局域表面對材料進行改性時的可選擇性和可重復性較差。Lin等運用248nm準分子激光輻照Mg摻雜的Ga N外延層，輻照后Ga N的空穴載流子濃度提升了兩個數量級，他們將此歸因于激光輻照將束縛Mg受主的Mg-H鍵打斷，同時伴有氫化鎵空位的形成以及Ga空位被Mg填隙所占據，從而激活Mg受主，改善材料的電學性質。但通過激光輻照的GaN其電學性質依然有改善的空間，可以通過退火的方法使其光學和電學性質得到進一步的改善。Wang等[15]對準分子激光輻照前后p型GaN的光致發光譜、I-V曲線、表面微結構等進行了研究，結果發現：輻照后樣品的光學、電學性質均得到改善，并且其表面的結晶質量并沒有被準分子激光所破壞，但并沒有說明激光輻照對以GaN為基底的LED的發光性能可以產生何種影響。因此，采用激光輻照以及退火的方法對GaN進行光學和電學性質的改善以及對以其為基底的LED的發光性能的改善亟待探索。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提出一種改善GaN外延片性質并增強GaN基LED發光性能的方法，其采用248nm準分子激光對表面為p型的GaN外延片進行輻照，并對輻照后的樣品進行退火處理，以改善其電學和發光性能。

根據上述發明目的，本發明通過以下技術方案來實現：