GaN基垂直LED结构及其制备方法

摘要

本发明公开了一种GaN基垂直LED结构及其制备方法。其中，GaN基垂直LED结构，包括：衬底，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体材料；依次外延于衬底之上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及反射膜；以及p/n电极，分别位于反射膜的上方、衬底的背面。实现了直接在衬底上外延生长垂直结构LED，仅通过一次外延即可获得大注入电流密度、高亮、垂直LED结构，为垂直结构LED的制备提供了工艺简单、有效降低时间成本的技术路线，完全能够满足通用照明低成本、高性能、高成品率的大规模生产要求，在保证性能要求的同时有助于实现量产。

权利要求

1.一种GaN基垂直LED结构，包括：

衬底，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体材料；

依次外延于衬底之上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及反射膜；以及p/n电极，分别位于反射膜的上方、衬底的背面；

其中，所述n型GaN层通过如下外延生长方法获得：结合采用暂停生长、间歇通NH3、以及同时通NH3源和Ga源的方法进行n型GaN层的生长；其中，所述暂停生长表示在升温至生长温度时关闭Ga源，暂停一预定时间的生长；所述间歇通NH3表示Ga源和NH3采取不同的时间分段进行通入，且重复预定的周期。

2.根据权利要求1所述的GaN基垂直LED结构，其中，所述衬底的材料为β-Ga2O3。

3.根据权利要求1所述的GaN基垂直LED结构，其中：所述缓冲层的材料为：GaN或AlN；和/或

所述缓冲层的厚度介于2nm～50nm之间。

4.根据权利要求1所述的GaN基垂直LED结构，其中：所述n型GaN层采用掺杂Si元素获得，掺杂浓度介于1018cm-3～1020cm-3之间；和/或所述n型GaN层的厚度介于2μm～6μm之间。

5.根据权利要求1所述的GaN基垂直LED结构，其中，所述多量子阱发光层的材料为：InxGaN/GaN，其中X的值为12～18，并且InGaN层的厚度介于2nm～3nm之间；GaN层的厚度介于10nm～12nm之间。

6.根据权利要求1所述的GaN基垂直LED结构，其中，所述p型GaN层采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度介于1017cm-3～1018cm-3之间。

7.根据权利要求1所述的GaN基垂直LED结构，其中，所述反射膜的材料为金属材料。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的GaN基垂直LED结构的制备方法，包括：准备衬底，将准备好的衬底置于MOCVD设备中进行退火处理；

在退火处理后的衬底上依次外延生长缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及反射膜；以及分别在反射膜之上和衬底的背面制备p/n电极，完成GaN基垂直LED结构的制备；

其中，外延生长n型GaN层、p型GaN层的方法包括：结合采用暂停生长、间歇通NH3、以及同时通NH3源和Ga源的方法进行n型GaN层、p型GaN层的生长；其中，所述暂停生长表示在升温至生长温度时关闭Ga源，暂停一预定时间的生长；所述间歇通NH3表示Ga源和NH3采取不同的时间分段进行通入，且重复预定的周期。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述n型GaN层、p型GaN层的生长温度介于

1000℃～1100℃之间，达到预定温度时关闭Ga源预定时间；所述间歇通NH3生长100～500个周期。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其中：

所述缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层均采用MOCVD的方法依次进行外延生长；

所述缓冲层的生长条件为：在N2氛围下，生长温度介于480℃～550℃之间；

所述准备衬底包括衬底的清洗，该清洗是在质量分数为98％的浓硫酸、双氧水按照3∶1的体积比配置成的溶液里进行的。

说明书

GaN基垂直LED结构及其制备方法

技术领域

[0001] 本公开属于半导体技术领域，涉及一种GaN基垂直LED结构及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，GaN基III-V族化合物半导体材料由于具有从1.19eV(InN)到6.12eV(AlN)之间连续可调的直接带隙，从理论上覆盖了从红光至紫外光在内的整个可见光谱，在光电应用方面具有巨大的前景。其中以GaN基发光二极管(LED)为代表的固态照明技术具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、节能、使用寿命长等优势，已成为照明领域的主力。但是要实现全面推广GaN基LED在照明领域的应用，还需要进一步优化GaN基LED的性能，而性能的优化主要侧重于提高流明效率、减少热损耗、减少散热等方面。

[0003] GaN基垂直LED结构具有良好的电流扩展能力，能够有效实现高效率电注入，同时减少了由于电荷分布不均匀引起的热效应，降低了器件热损耗，提高了散热性能，从而实现更高的流明效率和更长的寿命，因此作为一种具有潜力的照明器件。目前实现GaN基垂直LED结构的难点在于无法直接在衬底上外延垂直LED结构。

[0004] 现有技术中，实现GaN基垂直结构LED的技术路线主要有如下三种：一、采用蓝宝石、SiC衬底异质外延GaN基LED后，通过激光剥离或机械研磨等方法去除衬底以实现氮化物薄膜的转移，这种方法通过至少一次的键合工艺实现发光薄膜的转移，存在成品率较低，激光剥离的设备成本高，机械研磨的耗时成本高等缺陷，且都造成了衬底材料的浪费；二、引入牺牲层，通过牺牲层的去除实现衬底的剥离，再将发光层转移到其他支撑衬底上，这种方法中牺牲层的去除、发光层的转移和二次键合技术降低了时间效率和成品率；三、在金属、低阻Si等导电衬底上直接外延生长氮化物材料，但这种方法中由于上述导电衬底与GaN晶格失配较大，在其上外延的氮化物薄膜质量较差，导致LED的性能欠佳。因此，亟需提出一种可以直接外延生长GaN基垂直LED结构的工艺，且该工艺能够满足通用照明低成本、高性能、高成品率的大规模生产要求。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 本公开提供了一种GaN基垂直LED结构及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

[0007] (二)技术方案

[0008] 根据本公开的一个方面，提供了一种GaN基垂直LED结构，包括：衬底，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体材料；依次外延于衬底之上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及反射膜；以及p/n电极，分别位于反射膜的上方、衬底的背面。

[0009] 在本公开的一些实施例中，衬底的材料为β-Ga2O3。

[0010] 在本公开的一些实施例中，缓冲层的材料为：GaN或AlN；和/或缓冲层的厚度介于2nm～50nm之间。

[0011] 在本公开的一些实施例中，n型GaN层采用掺杂Si元素获得，掺杂浓度介于1018cm-3～1020cm-3之间；和/或n型GaN层的厚度介于2μm～6μm之间。

[0012] 在本公开的一些实施例中，多量子阱发光层的材料为：InxGaN/GaN，其中X的值为12～18，并且InGaN层的厚度介于2nm～3nm之间；GaN层的厚度介于10nm～12nm之间。

[0013] 在本公开的一些实施例中，p型GaN层采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度介于1017cm-3～1018cm-3之间。

[0014] 在本公开的一些实施例中，反射膜的材料为金属材料。

[0015] 根据本公开的另一个方面，提供了上述提及的任一种GaN基垂直LED结构的制备方法，包括：准备衬底，将准备好的衬底置于MOCVD设备中进行退火处理；在退火处理后的衬底上依次外延生长缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及反射膜；以及分别在反射膜之上和衬底的背面制备p/n电极，完成GaN基垂直LED结构的制备；其中，外延生长n型GaN层、p型GaN层的方法包括：结合采用暂停生长、间歇通NH3、以及同时通NH3源和Ga源的方法进行n型GaN层、p型GaN层的生长；其中，暂停生长表示在升温至生长温度时关闭Ga源，暂停一预定时间的生长；间歇通NH3表示Ga源和NH3采取不同的时间分段进行通入，且重复预定的周期。

[0016] 在本公开的一些实施例中，n型GaN层、p型GaN层的生长温度介于1000℃～1100℃之间，达到预定温度时关闭Ga源预定时间；间歇通NH3生长100～500个周期。

[0017] 在本公开的一些实施例中，缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层均采用MOCVD的方法依次进行外延生长；缓冲层的生长条件为：在N2氛围下，生长温度介于480℃～550℃之间；准备衬底包括衬底的清洗，该清洗是在质量分数为98％的浓硫酸、双氧水按照3∶1的体积比配置成的溶液里进行的。

[0018] (三)有益效果

[0019] 从上述技术方案可以看出，本公开提供的GaN基垂直LED结构及其制备方法，具有以下有益效果：

[0020] 通过采用透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体作为外延衬底，并以晶向为(-201)的β-Ga2O3衬底为例介绍了制备过程，结合MOCVD技术精确控制生长GaN基LED结构，在高温n型GaN层的生长阶段结合采用暂停生长、间歇通NH3、以及同时通NH3源和Ga源的方法，仅通过一次外延即可获得大注入电流密度、高亮、垂直LED结构，为垂直结构LED的制备提供了工艺简单、有效降低时间成本的技术路线，完全能够满足通用照明低成本、高性能、和高成品率的大规模生产要求，在保证性能要求的同时有助于实现量产。

附图说明

[0021] 图1为根据本公开实施例GaN基垂直LED结构的示意图。

[0022] 图2为根据本公开实施例GaN基垂直LED结构的制备方法流程图。

[0023] 【符号说明】

[0024] 10-衬底；               20-缓冲层；

[0025] 30-n型GaN层；           40-多量子阱发光层；

[0026] 50-p型GaN层；           60-反射膜；

[0027] 71-p电极；              72-n电极。

具体实施方式

[0028] 本公开提供了一种GaN基垂直LED结构及其制备方法，通过采用透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体作为外延衬底，结合金属有机物化学气相沉积(MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition)技术精确控制生长GaN基LED结构，在高温n型GaN层的生长阶段结合采用暂停生长、间歇通NH3、以及同时通NH3源和Ga源的方法，仅通过一次外延即可获得大注入电流密度、高亮、垂直LED结构，为垂直结构LED的制备提供了工艺简单、有效降低时间成本的技术路线，完全能够满足通用照明低成本、高性能、高成品率的大规模生产要求，在保证性能要求的同时有助于实现量产。

[0029] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

[0030] β-Ga2O3是一种新型氮化物衬底材料，与GaN的晶格失配仅为5％，作为透明导电氧化物，β-Ga2O3在可见光波段透过率＞80％，并且β-Ga2O3为n型半导体，具有一定的导电性能，可通过掺杂改变其导电性，目前通过Sn、Si等元素掺杂，载流子浓度可达2×1018cm-3-918 -3
×10 cm 。因此考虑到β-Ga2O3的上述优点，可以考虑采用β-Ga2O3单晶作为外延GaN基LED的透明导电衬底，有助于获得高质量GaN基LED薄膜，并实现大注入电流密度高亮垂直结构LED，但目前由于β-Ga2O3自然解理面的存在，且在其上外延高质量GaN仍然存在技术瓶颈，十分困难，使得在β-Ga2O3衬底上直接生长大电流注入密度的高亮垂直结构LED难以突破。而本公开正是利用诸如β-Ga2O3一样具有透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％等特性的宽禁带半导体作为衬底，并经过工艺摸索，提出了本公开的制备方法进行GaN基垂直LED结构的制备，为垂直结构LED的制备提供了工艺简单、有效降低时间成本的技术路线。

[0031] 在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种GaN基垂直LED结构。

[0032] 图1为根据本公开实施例GaN基垂直LED结构的示意图。

[0033] 参照图1所示，本公开的GaN基垂直LED结构，包括：衬底10，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体材料；依次外延于衬底10之上的缓冲层20、n型GaN层30、多量子阱发光层40、p型GaN层50以及反射膜60；p/n电极，分别位于反射膜60的上方、衬底10的背面。

[0034] 下面对本公开GaN基垂直LED结构的各个部分进行详细介绍。

[0035] 本实施例中，衬底10以晶向为(-201)的β-Ga2O3为例进行说明，其他晶向的β-Ga2O3衬底也符合要求；由于β-Ga2O3具有透光率高、导电性好且与GaN晶格失配小的特点，在利用MOCVD的方法外延生长氮化物薄膜的过程中提供了衬底支撑，为外延高质量GaN薄膜提供了必要条件，在器件制备过程中，由于具有高的透光率，可以作为垂直LED的出光层。

[0036] 本实施例中，缓冲层20的材料优选GaN或A1N，该缓冲层是在低温条件下，优选480℃～550℃进行生长的，缓冲层的作用如下：一方面，为生长高质量的n型GaN薄膜，即本实施例的n型GaN层30提供成核点；另一方面，可以有效阻止n型GaN在生长过程中H2对β-Ga2O3衬底的刻蚀。

[0037] 本实施例中，缓冲层20的厚度为2nm～50nm。

[0038] 本实施例中，n型GaN层30、多量子阱发光层40以及p型GaN层50是主要的发光功能层。

[0039] 本实施例中，n型GaN层30采用掺杂Si元素获得，掺杂浓度介于1018cm-3～1020cm-3之间；n型GaN层30的厚度优选2μm～6μm。

[0040] 本实施例中，多量子阱发光层40的材料为：InxGaN/GaN，其中X的值为12～18，并且InGaN层的厚度介于2nm～3nm之间；GaN层的厚度介于10nm～12nm之间。

[0041] 本实施例中，p型GaN层50采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度介于1017cm-3～1018cm-3之间。

[0042] 本实施例中，反射膜60为金属膜材料，优选Ni、Ag、Pt、Au及其合金等材料。

[0043] 本实施例中，p电极71位于反射膜60的上方，n电极72位于衬底10的背面。

[0044] 在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种GaN基垂直LED结构的制备方法。

[0045] 图2为根据本公开实施例GaN基垂直LED结构的制备方法流程图。

[0046] 参照图2所示，本公开的GaN基垂直LED结构的制备方法，包括：

[0047] 步骤S202：准备衬底，将准备好的衬底置于MOCVD设备中进行退火处理；

[0048] 本步骤S202中，准备衬底包括衬底的清洗过程，主要目的去除衬底表面的油污及杂质等；将清洁后的衬底放入MOCVD设备中，在N2的氛围中进行高温退火处理，退火温度一般为950℃～1100℃，主要目的是通过高温热退火进一步清洁衬底表面。

[0049] 本实施例中，取β-Ga2O3衬底，放入质量分数为98％的浓硫酸、双氧水按照3∶1的体积比配好的溶液中，清洁衬底表面；将清洁后的衬底放入MOCVD设备中进行高温退火处理，具体条件为在N2氛围下，退火温度为950℃，退火时间为3min。

[0050] 步骤S204：在退火处理后的衬底上生长缓冲层；

[0051] 本实施例中，缓冲层20的材料优选GaN或AlN，用作n型GaN层30的成核层，该缓冲层20的生长条件为：在N2氛围下，生长温度介于480℃～550℃之间，生长时间为3min。

[0052] 生长缓冲层的作用如下：一方面，为生长高质量的n型GaN薄膜，即本实施例的n型GaN层30提供成核点；另一方面，可以有效阻止n型GaN在生长过程中H2对β-Ga2O3衬底的刻蚀。

[0053] 步骤S206：在缓冲层上生长n型GaN层；

[0054] 在本步骤S206中，在缓冲层上生长n型GaN层的方法包括：结合采用暂停生长、间歇通NH3、以及同时通NH3源和Ga源的方法进行n型GaN层的生长。

[0055] 本实施例中，n型GaN层的生长温度介于1000℃～1100℃之间，在生长过程中通入SiH4，升温到生长温度时需要先关闭Ga源，优选暂停生长30s；然后再采用间歇通NH3的生长方法，优选地，Ga源、NH3的通入时间分别为0.1s、0.2s，生长100～500个周期；再继续同时通入Ga源和NH3生长1h，，获得厚度为2μm～6μm的高质量n型GaN层；其中n型GaN层采用掺杂Si18 -3 20 -3
元素获得，掺杂浓度为10 cm ～10 cm 。

[0056] 步骤S208：在n型GaN层上生长多量子阱发光层；

[0057] 本实施例中，利用MOCVD的方法在n型GaN层上生长InXGaN/GaN多量子阱发光层，其中X的值为12～18，InGaN层的厚度介于2nm～3nm之间；GaN层的厚度介于10nm～12nm之间。

[0058] 步骤S210：在多量子阱发光层上生长p型GaN层；

[0059] 本实施例中，p型GaN层50采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度介于1017cm-3～1018cm-3之间。

[0060] p型GaN层的制备过程与n型GaN层的制备过程类似，在制备过程中通入Cp2Mg(二茂镁，化学式：Mg(C5H5)2)，得到掺杂Mg元素的p型GaN层。

[0061] 步骤S212：在p型GaN层生长反射膜；

[0062] 本实施例中，反射膜60为金属膜材料，优选Ni、Ag、Pt、Au及其合金等材料，使透光率更高的β-Ga2O3衬底作为出光面。

[0063] 步骤S214：分别在反射膜之上和衬底的背面制备p/n电极，完成GaN基垂直LED结构的制备。

[0064] 本实施例中，p电极71生长于反射膜60的上方，n电极72生长于衬底10的背面。

[0065] 上述GaN或AlN缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层均采用MOCVD的方法进行外延生长。

[0066] 需要说明的是，本公开GaN基垂直LED结构的制备方法中的实验条件可以根据实际情况进行适应性调整，不局限于本实施例中列举的参数，包括：退火时间、退火温度、生长时间、Ga源、NH3的通入时间等。

[0067] 综上所述，本公开提供了一种GaN基垂直LED结构及其制备方法，通过采用透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体作为外延衬底，结合金属有机物化学气相沉积(MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition)技术精确控制生长GaN基LED结构，在高温n型GaN层的生长阶段结合采用暂停生长、间歇通NH3、以及同时通NH3源和Ga源的方法，仅通过一次外延即可获得大注入电流密度、高亮、垂直LED结构，为垂直结构LED的制备提供了工艺简单、有效降低时间成本的技术路线，完全能够满足通用照明低成本、高性能、高成品率的大规模生产要求，在保证性能要求的同时有助于实现量产。

[0068] 当然，根据实际需要，本公开GaN基垂直LED结构及其制备方法还包含其他的工艺和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。

[0069] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

[0070] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0071] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。