一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法

摘要

一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，包括以下步骤，首先在N2气氛，820‑850℃，反应室压力300torr下,在金属GaN复合衬底上外延厚度为200纳米的低温n型GaN应力释放层，然后在N2气氛、750‑850℃下，生长多周期的InxGa1‑xN/GaN多量子阱有源区；接着在H2气氛、850‑95℃下，生长p型Aly1Inx1Ga1‑y1‑x1N电子阻挡层，然后在H2气氛、950‑1050℃下，生长高温p型GaN层；接着再在H2气氛、650‑750℃下生长p型InGaN接触层，退火处理制备得到高亮度金属氮化镓复合衬底发光二极管。本发明提高了金属氮化镓复合衬底发光二极管发光效率。

权利要求

1.一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，包括以下步骤：

步骤1，将金属氮化镓复合衬底（101）放入MOCVD反应室中，在N2气氛、MOCVD反应室压力为300torr下，将MOCVD反应室升温至820-850℃，然后在820-850℃的温度范围内退火处理

55～65s，接着以MOCVD反应室压力300torr、V/III摩尔比为500-1300，采用0.2微米/小时-1微米/小时的生长速率，生长厚度为200nm的低温n型GaN应力释放层（102）；

步骤2，在N2气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，MOCVD反应室压力为

300torr,生长3-10个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区（103）,其中，0

步骤3，在N2气氛、850-950℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为100-

300torr, 生长厚度为30nm的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层（104），Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x；

步骤4，在H2气氛、950-1050℃下，以V/III摩尔比为2000-5000、MOCVD反应室压力为

100torr,生长厚度为100-300nm的高温p型GaN层（105）；

步骤5，在H2气氛、650-750℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为

300torr,生长厚度为2-4nm的p型InGaN接触层（106）；

步骤6，将MOCVD反应室的温度降至20-30℃，结束生长，完成金属氮化镓复合衬底发光二极管外延层的生长，制备得到高亮度的金属氮化镓复合衬底发光二极管。

2.根据权利要求1所述的在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，其特征在于，所述步骤1中低温n型GaN应力释放层的Si掺杂浓度为1018-1019cm-3。

3.根据权利要求2所述的在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，其特征在于，所述步骤2中生长InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区具体包括：步骤2.1，在N2气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，MOCVD反应室压力为

300torr,先生长3个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中，0

步骤2.2，然后再继续生长7个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中，0

4.根据权利要求3所述的在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，其特征在于，所述步骤3中生长p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层具体包括：步骤3.1，在N2气氛、850-950℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为

100-300torr,先生长厚度为30nm的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为1×1017cm-3，其中，Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x；

步骤3.2，然后再继续生长厚度为30nm的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型

17 -3

Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×10 cm ，其中，Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x。

5.根据权利要求4所述的在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，其特征在于，所述步骤4中的高温p型GaN层的Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。

6.根据权利要求5所述的在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，其特征在于，所述步骤5中的p型InGaN接触层Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。

7.根据权利要求6所述的在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，其特征在于，所述步骤6具体为将MOCVD反应室的温度先降至700-750℃，然后采用纯氮气气氛进行退火处理5-20分钟,再降至20-30℃。

说明书

一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体光电子技术领域，一种在金属氮化镓复合衬底上制备高亮度发光二极管的方法。

背景技术

[0002] LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。根据光衰和结温的关系，结温假如能够控制在65°C，那么其光衰至70％的寿命可以高达10万小时！但是，限于实际的LED灯的散热性能， LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题。而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率。比如结温为25度时的发光量为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%；结温为100度时发光量就下降到80%；结温升至140度时发光量就只有70%。由此可见，改善LED灯的散热，控制结温是十分重要的事情。除此以外，LED的发热还会使得其光谱移动，色温升高，正向电流增大（恒压供电时），反向电流也增大，热应力增高，荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题。因此，LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。

[0003] LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小，所以必须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面，人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。为了改善LED芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热性更好的衬底材料。早期的LED只是采用Si（硅）作为衬底。后来就改为蓝宝石作衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不太好，在100°C时约为25W/（m-K）。采用金属氮化镓复合衬底可以有效解决LED散热问题，然而由于金属衬底和氮化镓外延层之间存在较大的热失配，目前在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的亮度不尽人意。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种散热性佳，提高发光效率的在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采取以下方案：

[0006] 一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1，将金属氮化镓复合衬底放入MOCVD反应室中，在N2气氛、MOCVD反应室压力为300torr下，将MOCVD反应室升温至820-850℃，然后在820-850℃的温度范围内退火处理55～65s，接着以MOCVD反应室压力300torr、V/III摩尔比为500-1300，采用0.2微米/小时-1微米/小时的生长速率，生长厚度为200纳米的低温n型GaN应力释放层；

[0008] 步骤2，在N2气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，MOCVD反应室压力为300torr,生长3-10个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中，0

[0009] 步骤3，在N2气氛、850-950℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为100-300torr, 生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x；

[0010] 步骤4，在H2气氛、950-1050℃下，以V/III摩尔比为2000-5000、MOCVD反应室压力为100torr,生长厚度为100-300nm的高温p型GaN层；

[0011] 步骤5，在H2气氛、650-750℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为300torr,生长厚度为2-4nm的p型InGaN接触层；

[0012] 步骤6，将MOCVD反应室的温度降至20-30℃，结束生长，完成金属氮化镓复合衬底发光二极管外延层的生长，制备得到高亮度的金属氮化镓复合衬底发光二极管。

[0013] 所述步骤1中低温n型GaN应力释放层的Si掺杂浓度为1018-1019cm-3。

[0014] 所述步骤2中生长InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区具体包括：

[0015] 步骤2.1，在N2气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，MOCVD反应室压力为300torr,先生长3个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中，0

[0016] 步骤2.2，然后再继续生长7个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中，0

[0017] 所述步骤3中生长p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层具体包括：

[0018] 步骤3.1，在N2气氛、850-950℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为100-300torr,先生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为1×1017cm-3，其中，Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x；

[0019] 步骤3.2，然后再继续生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×1017cm-3，其中，Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x。

[0020] 所述步骤4中的高温p型GaN层的Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。

[0021] 所述步骤5中的p型InGaN接触层Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。

[0022] 所述步骤6具体为将MOCVD反应室的温度先降至700-750℃，然后采用纯氮气气氛进行退火处理5-20分钟,再降至20-30℃。

[0023] 本发明通过在金属氮化镓复合衬底和多量子阱有源区之间外延低温应力释放层，有效缓解有源区压应力，提高有源区晶体质量。通过采用Si阶梯式掺杂量子垒层以及Mg掺杂浓度阶梯式变化的电子阻挡层，有效改善电子空穴在有源区的分布，提高金属氮化镓复合衬底发光二极管发光效率。

附图说明

[0024] 附图1为本发明方法制备的发光二极管的剖面结构示意图。

具体实施方式

[0025] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

[0026] 本发明利用紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统，在金属有机化合物气相外延反应室MOCVD反应室内进行生长，完成在金属氮化镓复合衬底上发光二极管外延层的生长。如附图1所示，该发光二极管外延层的结构由下往上依次为金属氮化镓复合衬底101、低温n型GaN应力释放层102、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区103、p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层104、高温p型GaN层105、p型InGaN接触层106。在生长过程中，以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铟（TMIn）、三甲基铝（TMAl）作为III族源，氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源，以硅烷（SiH4）作为n型掺杂剂，二茂镁（Cp2Mg）作为p型掺杂剂。

[0027] 下面以具体实施例对本发明作进一步的阐述。

[0028] 实施例一

[0029] 一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，包括以下步骤：

[0030] 步骤1，将金属氮化镓复合衬底101放入MOCVD反应室中，在N2气氛、MOCVD反应室压力为300torr下，将MOCVD反应室升温至820℃，然后保持820℃的温度情况下进行退火处理55秒，接着以MOCVD反应室压力300torr、V/III摩尔比为500，采用0.2微米/小时的生长速率，生长厚度为200纳米的低温n型GaN应力释放层102，低温n型GaN应力释放层的Si掺杂浓度为1018cm-3。

[0031] 步骤2，在N2气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，MOCVD反应室压力为300torr,生长3-10个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区103,其中，0

[0032] 该步骤2具体包括：步骤2.1，在N2气氛、750℃下，以V/III摩尔比为5000，MOCVD反应室压力为300torr,先生长3个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中， x为0.1，InxGa1-xN阱层的厚度为2nm、GaN垒层厚度为8nm,其中GaN垒层的Si掺杂浓度为1017cm-3。Gt vb

[0033] 步骤2.2，然后保持步骤2.1中的N2气氛、750℃下，以V/III摩尔比为5000，MOCVD反应室压力为300torr的情况下再继续生长7个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中， x为0.1，InxGa1-xN阱层的厚度为2nm、GaN垒层厚度为8nm,其中GaN垒层为非掺层。经过上述的生长，从而得到垒层Si的掺杂浓度呈阶梯式变化的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区。

[0034] 步骤3，在N2气氛、850-950℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为100-300torr, 生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层（104），Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x。

[0035] 该步骤3具体包括：步骤3.1，在N2气氛、850℃下，以V/III摩尔比为5000、MOCVD反应室压力为100torr,先生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为1×1017cm-3，其中，Al组分y1为0，In组分x1为0。

[0036] 步骤3.2，然后保持步骤3.1中的N2气氛、850℃下，以V/III摩尔比为5000、MOCVD反应室压力为100torr的情况下再继续生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×1017cm-3，其中，Al组分y1为0，In组分x1为0。经过上述生长，得到Mg掺杂浓度呈阶梯式变化的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层。

[0037] 步骤4，在H2气氛、950℃下，以V/III摩尔比为2000、MOCVD反应室压力为100torr,生长厚度为100nm的高温p型GaN层105，该高温p型GaN层的Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。

[0038] 步骤5，在H2气氛、650℃下，以V/III摩尔比为5000、MOCVD反应室压力为300torr,生长厚度为2nm的p型InGaN接触层106，该p型InGaN接触层Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。

[0039] 步骤6，将MOCVD反应室的温度先降至700℃，然后采用纯氮气气氛进行退火处理5分钟,再降至20℃，完成金属氮化镓复合衬底发光二极管外延层的生长，制备得到高亮度的金属氮化镓复合衬底发光二极管。

[0040] 实施例二

[0041] 一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，包括以下步骤：

[0042] 步骤1，将金属氮化镓复合衬底101放入MOCVD反应室中，在N2气氛、MOCVD反应室压力为300torr下，将MOCVD反应室升温至835℃，然后保持835℃的温度情况下进行退火处理60秒，接着以MOCVD反应室压力300torr、V/III摩尔比为900，采用0.6微米/小时的生长速率，生长厚度为200纳米的低温n型GaN应力释放层102，低温n型GaN应力释放层的Si掺杂浓度为1019cm-3。

[0043] 步骤2，在N2气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，MOCVD反应室压力为300torr,生长3-10个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区103,其中，0

[0044] 该步骤2具体包括：步骤2.1，在N2气氛、800℃下，以V/III摩尔比为8000，MOCVD反应室压力为300torr,先生长3个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中， x为0.2，17 -3
InxGa1-xN阱层的厚度为3nm、GaN垒层厚度为14nm,其中GaN垒层的Si掺杂浓度为10 cm 。

[0045] 步骤2.2，然后再继续生长7个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中，x为0.2，InxGa1-xN阱层的厚度为3nm、GaN垒层厚度为14nm,其中GaN垒层为非掺层。经过上述的生长，从而得到垒层Si的掺杂浓度呈阶梯式变化的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区。

[0046] 步骤3，在N2气氛、850-950℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为100-300torr, 生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层（104），Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x。

[0047] 该步骤3具体包括：步骤3.1，在N2气氛、900℃下，以V/III摩尔比为8000、MOCVD反应室压力为200torr,先生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为1×1017cm-3，其中，Al组分y1为0.1，In组分x1为0.1。

[0048] 步骤3.2，然后再继续生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×1017cm-3，其中，Al组分y1为0.1，In组分x1为0.1。经过上述生长，得到Mg掺杂浓度呈阶梯式变化的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层。

[0049] 步骤4，在H2气氛、1000℃下，以V/III摩尔比为3500、MOCVD反应室压力为100torr,生长厚度为200nm的高温p型GaN层105，该高温p型GaN层的Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。

[0050] 步骤5，在H2气氛、700℃下，以V/III摩尔比为8000、MOCVD反应室压力为300torr,生长厚度为3nm的p型InGaN接触层106，该p型InGaN接触层Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。

[0051] 步骤6，将MOCVD反应室的温度先降至720℃，然后采用纯氮气气氛进行退火处理10分钟,再降至25℃，完成金属氮化镓复合衬底发光二极管外延层的生长，制备得到高亮度的金属氮化镓复合衬底发光二极管。

[0052] 实施例三

[0053] 一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法，包括以下步骤：

[0054] 步骤1，将金属氮化镓复合衬底101放入MOCVD反应室中，在N2气氛、MOCVD反应室压力为300torr下，将MOCVD反应室升温至850℃，然后保持850℃的温度情况下进行退火处理65秒，接着以MOCVD反应室压力300torr、V/III摩尔比为1300，采用1.0微米/小时的生长速率，生长厚度为200纳米的低温n型GaN应力释放层102，低温n型GaN应力释放层的Si掺杂浓度为1019cm-3。

[0055] 步骤2，在N2气氛、750-850℃下，以V/III摩尔比为5000-10000，MOCVD反应室压力为300torr,生长3-10个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区103,其中，0

[0056] 该步骤2具体包括：步骤2.1，在N2气氛、850℃下，以V/III摩尔比为10000，MOCVD反应室压力为300torr,先生长3个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中， x为0.3，InxGa1-xN阱层的厚度为4nm、GaN垒层厚度为20nm,其中GaN垒层的Si掺杂浓度为1017cm-3。

[0057] 步骤2.2，然后再继续生长7个周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区,其中，x为0.3，InxGa1-xN阱层的厚度为4nm、GaN垒层厚度为20nm,其中GaN垒层为非掺层。经过上述的生长，从而得到量子垒层Si的掺杂浓度呈阶梯式变化的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区。

[0058] 步骤3，在N2气氛、850-950℃下，以V/III摩尔比为5000-10000、MOCVD反应室压力为100-300torr, 生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层（104），Al组分0≤y1≤0.2，In组分0≤x1≤x。

[0059] 该步骤3具体包括：步骤3.1，在N2气氛、950℃下，以V/III摩尔比为10000、MOCVD反应室压力为300torr,先生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为1×1017cm-3，其中，Al组分y1为0.2，In组分x1为0.3。

[0060] 步骤3.2，然后再继续生长厚度为30纳米的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，该p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层的Mg掺杂浓度相应的空穴浓度为2×1017cm-3，其中，Al组分y1为0.2，In组分x1为0.3。经过上述生长，得到Mg掺杂浓度呈阶梯式变化的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层。

[0061] 步骤4，在H2气氛、1050℃下，以V/III摩尔比为5000、MOCVD反应室压力为100torr,生长厚度为300nm的高温p型GaN层105，该高温p型GaN层的Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。

[0062] 步骤5，在H2气氛、750℃下，以V/III摩尔比为10000、MOCVD反应室压力为300torr,生长厚度为4nm的p型InGaN接触层106，该p型InGaN接触层Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。

[0063] 步骤6，将MOCVD反应室的温度先降至750℃，然后采用纯氮气气氛进行退火处理20分钟,再降至30℃，完成金属氮化镓复合衬底发光二极管外延层的生长，制备得到高亮度的金属氮化镓复合衬底发光二极管。

[0064] 本发明通过在金属氮化镓复合衬底和多量子阱有源区之间外延低温应力释放层，有效缓解有源区压应力，提高有源区晶体质量。通过生长多周期的量子垒层Si的掺杂浓度呈阶梯式变化的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源区，以及Mg掺杂浓度呈阶梯式变化的p型Aly1Inx1Ga1-y1-x1N电子阻挡层，有效改善电子空穴在有源区的分布，提高金属氮化镓复合衬底发光二极管发光效率。

[0065] 以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的专利保护范围，并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明所揭示的精神所作的变化，仍应涵盖在本发明的专利保护范围内。