一种氮化镓基外延片及生长方法

摘要

本发明提供了一种氮化镓基外延片及生长方法，在n型GaN材料中形成光的微反射层，该层处在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，减少衬底对光的吸收，提高了LED的外量子效率，进而提高了LED外延片的出光效率。本发明的外延片按常规芯片工艺制成300×300μm2的以ITO为透明电极的芯片，可得到10%‑20%的亮度提升。

权利要求

1.一种氮化镓基外延片，其结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、下p型GaN层、p型铝镓氮层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层，其特征在于：在所述n型GaN层上设有由游离金属滴构成的微反射层；在所述微反射层上设有n型GaN覆盖层。

2.如权利要求1所述的一种氮化镓基外延片，其特征在于：所述n型GaN层厚度为0.5-2μm。

3.如权利要求1或2所述的一种氮化镓基外延片，其特征在于：所述n型GaN覆盖层厚度为0.5-2μm。

4.一种权利要求1所述氮化镓基外延片的生长方法，其特征在于：包括如下步骤：(1) 对衬底进行高温净化；

(2) 采用金属有机物化学气相沉积法，在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层；

(3) 生长非掺杂GaN层；

(4) 在1000~1200℃的温度下，生长0.5-2μm厚的n型GaN层；

(5) 在1000~1200℃的温度下，反应室压力为200-600tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为20 L/min -200L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长2秒-200秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；

(6) 同步骤(4)条件，生长0.5-2μm厚的n型GaN覆盖层；

(7) 在N2环境中，生长多量子阱层；

(8) 生长下p型GaN层；

(9) 生长p型铝镓氮层；

(10) 生长上p型GaN层；

(11) 生长高掺杂p型电极接触层。

说明书

一种氮化镓基外延片及生长方法

技术领域

[0001] 本发明涉及LED外延技术领域，尤其涉及一种具有埋藏在n型GaN材料中的微反射层的氮化镓基外延片及生长方法。

背景技术

[0002] 自GaN基第三代半导体材料的兴起，蓝色发光二极管（LED）的研制成功，发光强度和白光发光效率的不断提高，LED已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态冷光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。近年来，高亮度蓝绿光LED发展迅速，已成为全彩色高亮度大型户外显示屏、交通信号灯等必需的发光器件，同时，由蓝光LED激发黄色荧光粉制作的白光LED已大量应用于背光源、汽车照明等领域，并在固体照明光源领域显示了巨大的应用潜力。

[0003] 随着LED的应用越来越广泛，如何提高GaN基LED的发光效率越来越成为关注的焦点，目前高亮度的GaN基材料主要通过提高光提取效率和内量子效率来增强出光强度。对于给定内量子效率的LED，光提取效率为逃逸到空气中的光子能量与有源层发出的光子的能量之比。光提取效率是LED的一个重要参数，然而对于GaN基LED，所使用的GaN材料的折射率为2.4，对应于临界全反射角θc=24.5o，而超过该角度入射的光子将会被反射回去，继续在GaN内传播。对于传统平行腔结构的LED，反射回来的光子很大一部分将被限制在腔内，最终被完全吸收。理论分析只有百分二十几的光子能够逃逸出去，光提取效率还有很大的提升空间。目前光提取效率提升主要采用图形化衬底、p型层的粗化和激光剥离工艺来实现。

[0004] 由于工艺和技术的成熟，已经可以制备内量子效率达到70%-80%的GaN基LED。因此，通过提高内量子效率来大幅度提高LED发光效率已没有很大的余地（夏长生等人2006年在《半导体学报》中发表的《抛物线型衬底InGaN/GaN发光二极管的模拟研究》）。半导体照明LED关键技术之一也就是如何通过提高外量子效率来提升其出光效率。周建华等人提出了一种提高GaN基LED亮度的方法（中国专利公开号CN102347410 A），其通过腐蚀蓝宝石衬底，粗化蓝宝石衬底与GaN的界面，形成粗化表面，减弱GaN表面对有源区发光的全反射，从而提高GaN基LED的亮度。但这种方法形成的粗化表面很难腐蚀均匀，不利于得到好的晶体质量和外延表面，工艺技术相对复杂。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提供一种氮化镓基外延片及生长方法，提高了LED外延片的出光效率、进而提高GaN基LED器件亮度的。在n型GaN材料中间形成一层微反射层，该层“埋藏”在n型GaN材料中，由细小均匀分布的游离金属滴构成。

[0006] 本发明是通过下述方案实现的：一种氮化镓基外延片，其结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、下p型GaN层、p型铝镓氮层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层；在所述n型GaN层上设有由游离金属滴构成的微反射层；在所述微反射层上设有n型GaN覆盖层。

[0007] 所述n型GaN层厚度为0.5-2μm。

[0008] 所述n型GaN覆盖层厚度为0.5-2μm。

[0009] 一种上述氮化镓基外延片的生长方法，包括如下步骤：(1) 对衬底进行高温净化；
(2) 采用金属有机物化学气相沉积法，在500~600℃的温度下，在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层；
(3) 在1000~1200℃的温度下，生长非掺杂GaN层；
(4) 在1000~1200℃的温度下，生长0.5-2μm厚的n型GaN层；
(5) 在1000~1200℃的温度下，反应室压力为200-600tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为20 L/min -200L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长2秒-200秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；
(6) 同步骤(4)条件，生长0.5-2μm厚的n型GaN覆盖层；
(7) 在N2环境中，700~900℃的温度下，生长多量子阱层；
(8) 在800~1050℃的温度下，生长下p型GaN层；
(9) 在900~1150℃的温度下，生长p型铝镓氮层；
(10) 在850~1150℃的温度下，生长上p型GaN层；
(11) 在850~1150℃的温度下，生长高掺杂p型电极接触层。

[0010]本发明外延生长采用金属有机物化学气相沉积法（MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition）；衬底选用（0001）晶向的蓝宝石；金属有机源采用三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）、三甲基铟（TMIn）、三甲基铝（TMAl）；氮源为氨气（NH3）；n型掺杂剂为200ppm的H2携载的硅烷（SiH4）；p型掺杂剂为二茂镁（Cp2Mg）。

[0011] 本发明在生长一段n型GaN层后，将反应室生长条件切换至氢气气氛，同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长一段时间，此时将发生以下反应：2GaN+3H2→2Ga+2NH3，n型GaN层部分分解，在外延薄膜上形成细小均匀分布的游离金属滴，即Ga金属滴，人为制造一种均匀分布的“反射镜”，在有源层和衬底之间形成微反射层。该微反射层起到了反射光的作用，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，减少衬底对光的吸收，提高了LED外延片的外量子效率，进而提高了LED外延片的出光效率。增加了LED芯片的光电转化效率，工艺技术相对简单。

[0012] 本发明的外延片按照标准芯片工艺制作成300×300mm2的以ITO为透明电极的芯片。在测试电流为20mA的标准下，裸芯的亮度比传统工艺会有10%-20%的提高。

[0013]

附图说明

[0014] 图1为本发明氮化镓基外延片结构示意图；其中： 101—衬底；102—低温GaN缓冲层；103—非掺杂GaN层；104—n型GaN层；105—微反射层；106—n型GaN覆盖层；107—多量子阱层；108—下p型GaN层；109—p型铝镓氮层；
110—上p型GaN层；111—高掺杂p型电极接触层。

[0015]实施例

[0016] 实施例1参照附图1，本实施例中氮化镓基外延片结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、0.5mm 厚的n型GaN层、游离金属滴构成的微反射层、0.5mm 厚的n型GaN覆盖层、多量子阱层、下p型GaN层、p型铝镓氮层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层。

[0017]该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1.将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。

[0018] 2.降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。

[0019] 3.升温至1050℃生长1mm厚的非掺杂GaN层。

[0020] 4.在1100℃生长0.5mm厚的n型GaN层。

[0021] 5.在1100℃的温度下，反应室压力为400tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为20 L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长2秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；6.同步骤（4）条件，生长0.5mm厚的n型GaN覆盖层。

[0022] 7.在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。

[0023] 8.升温至900℃生长20nm厚度的下p型GaN层。

[0024] 9.升温至1050℃生长50nm厚度的p型铝镓氮层。

[0025] 10.在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。

[0026] 11.在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。

[0027] 12.降温至750℃，退火10min。

[0028] 13.降温至室温，生长结束。

[0029] 在n型GaN材料中形成光的微反射层，该层处在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，减少衬底对光的吸收，本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300×300mm2的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比传统工艺提高了10%。

[0030]实施例2
本实施例中氮化镓基外延片结构与实施例1基本相同，不同在于n型GaN层为2mm 厚，n型GaN覆盖层为2mm 厚。

[0031]该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1.将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。

[0032] 2.降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。

[0033] 3.升温至1050℃生长1mm厚的非掺杂GaN层。

[0034] 4.在1150℃生长2mm厚的n型GaN层。

[0035] 5.在1150℃的温度下，反应室压力为600tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为200 L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长200秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；6.同步骤（4）条件，生长2mm厚的n型GaN覆盖层。

[0036] 7.在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。

[0037] 8.升温至900℃生长20nm厚度的下p型GaN层。

[0038] 9.升温至1050℃生长50nm厚度的p型铝镓氮层。

[0039] 10.在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。

[0040] 11.在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。

[0041] 12.降温至750℃，退火10min。

[0042] 13.降温至室温，生长结束。

[0043] 本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300×300mm2的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比传统工艺提高了15%。

[0044]实施例3
本实施例中氮化镓基外延片结构与实施例1基本相同，不同在于n型GaN层为1.25mm 厚，n型GaN覆盖层为1.25mm 厚。

[0045]该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1.将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。

[0046] 2.降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。

[0047] 3.升温至1050℃生长1mm厚的非掺杂GaN层。

[0048] 4.在1000℃生长1.25mm厚的n型GaN层。

[0049] 5.在1000℃的温度下，反应室压力为300tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为110 L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长101秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；6.同步骤（4）条件，生长1.25mm厚的n型GaN覆盖层。

[0050] 7.在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。

[0051] 8.升温至900℃生长20nm厚度的下p型GaN层。

[0052] 9.升温至1050℃生长50nm厚度的p型铝镓氮层。

[0053] 10.在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。

[0054] 11.在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。

[0055] 12.降温至750℃，退火10min。

[0056] 13.降温至室温，生长结束。

[0057] 本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300×300mm2的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比传统工艺提高了13%。

[0058]实施例4
本实施例中氮化镓基外延片结构与实施例1基本相同，不同在于n型GaN层为1mm 厚，n型GaN覆盖层为1.5mm 厚。

[0059]该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1.将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。

[0060] 2.降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。

[0061] 3.升温至1050℃生长1mm厚的非掺杂GaN层。

[0062] 4.在1080℃生长1mm厚的n型GaN层。

[0063] 5.在1080℃的温度下，反应室压力为500tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为100 L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长50秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；6.同步骤（4）条件，生长1.5mm厚的n型GaN覆盖层。

[0064] 7.在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。

[0065] 8.升温至900℃生长20nm厚度的下p型GaN层。

[0066] 9.升温至1050℃生长50nm厚度的p型铝镓氮层。

[0067] 10.在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。

[0068] 11.在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。

[0069] 12.降温至750℃，退火10min。

[0070] 13.降温至室温，生长结束。

[0071] 本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300×300mm2的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比传统工艺提高了20%。

[0072]实施例5
本实施例中氮化镓基外延片结构与实施例1基本相同，不同在于n型GaN层为1.5mm 厚，n型GaN覆盖层为1mm 厚。

[0073]该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1.将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。

[0074] 2.降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。

[0075] 3.升温至1050℃生长1mm厚的非掺杂GaN层。

[0076] 4.在1200℃生长1.5mm厚的n型GaN层。

[0077] 5.在1200℃的温度下，反应室压力为200tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为120 L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长30秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；6.同步骤（4）条件，生长1mm厚的n型GaN覆盖层。

[0078] 7.在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。

[0079] 8.升温至900℃生长20nm厚度的下p型GaN层。

[0080] 9.升温至1050℃生长50nm厚度的p型铝镓氮层。

[0081] 10.在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。

[0082] 11.在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。

[0083] 12.降温至750℃，退火10min。

[0084] 13.降温至室温，生长结束。

[0085] 本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300×300mm2的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比传统工艺提高了18%。

[0086]实施例6
本实施例中氮化镓基外延片结构与实施例1基本相同，不同在于n型GaN层为1.25mm 厚，n型GaN覆盖层为1.25mm 厚。

[0087]该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1.将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。

[0088] 2.降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。

[0089] 3.升温至1050℃生长1mm厚的非掺杂GaN层。

[0090] 4.在1060℃生长1.25mm厚的n型GaN层。

[0091] 5.在1060℃的温度下，反应室压力为550tor 条件下，将生长条件切换至氢气气氛，氢气流量为80 L/min；同时将进入反应室的NH3和TMGa源关闭，停止生长100秒；在n型GaN层上形成由游离金属滴构成的微反射层；6.同步骤（4）条件，生长1.25mm厚的n型GaN覆盖层。

[0092] 7.在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。

[0093] 8.升温至900℃生长20nm厚度的下p型GaN层。

[0094] 9.升温至1050℃生长50nm厚度的p型铝镓氮层。

[0095] 10.在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。

[0096] 11.在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。

[0097] 12.降温至750℃，退火10min。

[0098] 13.降温至室温，生长结束。

[0099] 本实施例得到的外延片按照标准芯片工艺制作成300×300mm2的以ITO为透明电极的芯片。测试后，亮度比传统工艺提高了14%。