一種高發(fā)光效率氮化鎵基led外延片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種高發(fā)光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵基發(fā)光二極管(Light Emitting D1de，LED)具有高亮度、低能耗、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)速度快及環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)及路燈照明、交通信號(hào)以及戶外顯示、汽車車燈照明、液晶背光源等多個(gè)領(lǐng)域。因此，大功率白光LED被認(rèn)為是21世紀(jì)的照明光源。
[0003]為了獲得高亮度的LED，關(guān)鍵要提高器件的內(nèi)量子效率和外量子效率。目前藍(lán)光GaN基的LED內(nèi)量子效率可達(dá)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?yàn)镚aN材料的折射率(n = 2.5)與空氣的折射率(η= I)和藍(lán)寶石襯底的折射率(η= 1.75)相差較大，導(dǎo)致空氣與GaN界面以及藍(lán)寶石與GaN界面發(fā)生全反射的臨界角分別只有23.6°和44.4°，有源區(qū)產(chǎn)生的光只有少數(shù)能夠逃逸出體材料。為了提高芯片的光提取效率，目前國(guó)內(nèi)外采用的主要技術(shù)方案有生長(zhǎng)分布布喇格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)、圖形化襯底(PSS)技術(shù)、表面粗化技術(shù)和光子晶體技術(shù)等。PSS對(duì)圖形的規(guī)則度要求很高，加之藍(lán)寶石襯底比較堅(jiān)硬，無(wú)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(duì)設(shè)備和工藝要求很高，導(dǎo)致成本偏高。DBR和光子晶體制作工藝相對(duì)復(fù)雜、成本較高，而表面粗化技術(shù)采用干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝，也存在很大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供一種高發(fā)光效率氮化鎵基LED外延片的制備方法，且制備方法簡(jiǎn)單，制備成本較低。
[0005]本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種高發(fā)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(lán)寶石襯底在反應(yīng)腔氫氣氛圍中進(jìn)行高溫清潔襯底表面，溫度為1060-11000C，時(shí)間為5min_10min;
步驟二:將反應(yīng)腔溫度降低到520-550°C，然后在處理好的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)低溫GaN成核層，成核層厚度約為20-40nm ；
步驟三:對(duì)低溫GaN成核層進(jìn)行退火，將反應(yīng)腔溫度升高到950-1000°C，并穩(wěn)定2min，此過程中通入NH3氣體，經(jīng)過退火處理的GaN成核層由非晶層轉(zhuǎn)變?yōu)镚aN 3D島狀結(jié)構(gòu)；
步驟四:通入金屬有機(jī)源TMGa和NH3氣體在GaN 3D島狀結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)GaN 3D層，生長(zhǎng)厚度為100-300nm，得到第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層，第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層中包括小的GaN島和大的GaN島;
步驟五:將反應(yīng)腔溫度升高到1030-1110°C，升溫過程中通入NH3氣體以防止第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層分解，升溫過程結(jié)束后關(guān)閉NH3氣體，然后通入H2氣體對(duì)生長(zhǎng)好的第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層進(jìn)行處理5-10min，在此過程中H2會(huì)對(duì)第一3D結(jié)構(gòu)的GaN層進(jìn)行刻蝕，小的GaN島會(huì)被刻蝕掉，大的GaN島則保留下來(lái)，小的GaN島和大的GaN島沒有明確的尺寸定義，只是在刻蝕過程中尺寸小的GaN島容易被刻蝕掉，因此被刻蝕掉的GaN島為小的GaN島，保留下來(lái)的GaN島為大GaN島；
步驟六:將反應(yīng)腔溫度降低到950-10000C，通入NH3氣體和金屬有機(jī)源TMGa，在H2處理后的3D結(jié)構(gòu)GaN上繼續(xù)生長(zhǎng)第二 3D結(jié)構(gòu)的GaN層500-1000nm，在此過程中第二 3D結(jié)構(gòu)的GaN層會(huì)優(yōu)先生長(zhǎng)在GaN層表面具有GaN島的位置，其他位置生長(zhǎng)非常緩慢，GaN層的3D結(jié)構(gòu)會(huì)被進(jìn)一步放大，GaN島的大小和分布都會(huì)更均勾，得到粗糙化的3D結(jié)構(gòu)GaN層；
步驟七:在粗糙化的3D結(jié)構(gòu)GaN層上生長(zhǎng)一層金屬層，該金屬層可為Ga層或Al層，生長(zhǎng)溫度為800-1050°C，生長(zhǎng)厚度為100-700nm;
步驟八:生長(zhǎng)非故意摻雜的GaN層，厚度為2?4um，生長(zhǎng)溫度為1050-1200 °C，生長(zhǎng)壓力為50-300Torr；
步驟九:生長(zhǎng)Si摻雜的GaN層，該層載流子濃度為118-1O19Cnr3，厚度為l_3um，生長(zhǎng)溫度為 1050-1200°C，生長(zhǎng)壓力為 50Torr-300Torr;
步驟十:生長(zhǎng)3-6個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中皇層為GaN，阱層為InGaN，In組分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)為10-30%，阱層厚度為2-5nm，生長(zhǎng)溫度為700-800°C，皇層厚度為8_13nm，生長(zhǎng)溫度為800-950°C，整個(gè)生長(zhǎng)過程中壓力為200-500Torr;
步驟十一:生長(zhǎng)20-50nm厚的p-AlGaN電子阻擋層，該層中Al組分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)為10-20%，空穴濃度為 1017-1018cm—3，生長(zhǎng)溫度為 850-1000°C，壓力為50-300Torr;
步驟十二:生長(zhǎng)Mg摻雜的GaN層，厚度為100-300nm，生長(zhǎng)溫度為850-1000°C，生長(zhǎng)壓力為 100-500Torr，空穴濃度為 1017_1018cm—3 ；
步驟十三:外延生長(zhǎng)結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650-800°C，在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行退火處理5-15min，然后降至室溫，結(jié)束生長(zhǎng)，得到外延片。
[0006]本發(fā)明所述外延生長(zhǎng)過程均在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝(MOCVD)的MOCVD反應(yīng)腔中進(jìn)行，LED外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次包括藍(lán)寶石襯底、低溫GaN成核層、3D結(jié)構(gòu)GaN粗糙層、金屬反射層、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(zhǎng)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和咐原，硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)為N、P型摻雜劑。
[0007]本發(fā)明通過以上工藝，經(jīng)H2處理的3D結(jié)構(gòu)GaN層具有尺寸更大、更均勻的島狀結(jié)構(gòu)，在粗糙化的3D結(jié)構(gòu)GaN層上生長(zhǎng)的金屬反射層能提高光的反射率，降低透過金屬反射層進(jìn)入3D結(jié)構(gòu)GaN層中的光子數(shù)目，減少全內(nèi)反射，能夠更有效的提高GaN基LED的光提取效率，而兩步生長(zhǎng)的3D結(jié)構(gòu)GaN層可以降低后續(xù)外延膜中的位錯(cuò)密度，提高外延片的晶體質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為現(xiàn)有技術(shù)生長(zhǎng)外延片的流程圖，其在藍(lán)寶石襯底上依次層疊生長(zhǎng)低溫成核層、非摻雜GaN層、N型GaN層、多量子阱有源層、電子阻擋層、P型GaN層。
[0009]圖2為本發(fā)明生長(zhǎng)外延片的流程圖，其在藍(lán)寶石襯底上依次層疊生長(zhǎng)低溫成核層、第一3D結(jié)構(gòu)的GaN層，第二3D結(jié)構(gòu)的GaN層，金屬反射層、非摻雜GaN、N型GaN、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(zhǎng)第一3D結(jié)構(gòu)的GaN層之后的示意圖。
[0011]圖4為出高溫處理第一3D結(jié)構(gòu)的GaN層之后的示意圖。
[0012]圖5為生長(zhǎng)第二3D結(jié)構(gòu)的GaN層之后的示意圖。
[0013]圖6為生長(zhǎng)金屬反射層之后的示意圖。
[0014]圖7為分別采用本發(fā)明提供的方法生長(zhǎng)的外延片與普通方法生長(zhǎng)的外延片所制成的LED芯片光輸出功率對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例一:
一種高發(fā)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(lán)寶石襯底在反應(yīng)腔氫氣氛圍中進(jìn)行清潔襯底表面，溫度為1060°C，時(shí)間為1min;
步驟二:將反應(yīng)腔溫度降低到520°C，然后在處理好的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)低溫GaN成核層，成核層厚度約為20nm ；
步驟三:對(duì)低溫GaN成核層進(jìn)行退火，將反應(yīng)腔溫度升高到950 V，并穩(wěn)定2min，此過程中通入NH3氣體，經(jīng)過退火處理的GaN成核層由非晶層轉(zhuǎn)變?yōu)镚aN 3D島狀結(jié)構(gòu)；
步驟四:通入金屬有機(jī)源TMGa和NH3氣體在GaN 3D島狀結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)GaN 3D層，生長(zhǎng)厚度為lOOnm，得到第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層，第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層中包括小的GaN島和大的GaN島；步驟五:將反應(yīng)腔溫度升高到1030°C，升溫過程中通入NH3氣體以防止第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層分解，然后關(guān)閉NH3氣體，只通入出氣體對(duì)生長(zhǎng)好的第一3D結(jié)構(gòu)的GaN層進(jìn)行處理1min，在此過程中出會(huì)對(duì)第一 3D結(jié)構(gòu)的GaN層進(jìn)行刻蝕，小的GaN島會(huì)被刻蝕掉，大的GaN島則保留下來(lái)；
步驟六:將反應(yīng)腔溫度降低到9500C，通入NH3氣體和金屬有機(jī)源TMGa，在H2處理后的3D結(jié)構(gòu)GaN上繼續(xù)生長(zhǎng)第二 3D結(jié)構(gòu)的GaN層500nm，在此過程中第二 3D結(jié)構(gòu)的GaN層會(huì)優(yōu)先生長(zhǎng)在GaN層表面具有GaN島的位置，其他位置生長(zhǎng)非常緩慢，GaN層的3D結(jié)構(gòu)會(huì)被進(jìn)一步放大，GaN島的大小和分布都會(huì)更均勻，得到粗糙化的3D結(jié)構(gòu)GaN層；
步驟七:在粗糙化的3D結(jié)構(gòu)GaN上生長(zhǎng)一層金屬層，該金屬層可為Ga層或Al層，生長(zhǎng)溫度為800°(:，生長(zhǎng)厚度為10011111;
步驟八:生長(zhǎng)非故意摻雜的GaN層，厚度為2um，生長(zhǎng)溫度為1050 °C，生長(zhǎng)壓力為50Torr；
步驟九:生長(zhǎng)Si摻雜的GaN層，該層載流子濃度為118Cnf3，厚度為lum，生長(zhǎng)溫度為ΙΟδΟΓ，生長(zhǎng)壓力為50Torr;
步驟十: