一种GaN基LED外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术属于光电子器件领域，具体为一种GaN基LED外延结构及其制备方法。GaN基LED外延结构包括在衬底上依次层叠的自组装GaN纳米棒、非故意掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、P型GaN层、P型GaN接触层。本发明专利技术在衬底和GaN层之间自组装生长GaN纳米柱，形成了底部具有纳米柱的外延片，一方面纳米柱能够减少由于晶格失配引起的位错、V形坑等缺陷，提高外延片的晶体质量，另一方面纳米柱结构可以看作是表面粗化层能够减少全内反射，提高光的出光效率。因此，底部具有GaN纳米柱的LED外延结构能够提高LED器件的光电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电子器件领域，具体为一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
技术介绍
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。目前蓝光GaN 基LED的内量子效率可达80％以上， 但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40％左右。制约外量子效率提高的主要因素是GaN界面与空气界面发生全内反射造成光的提取效率较低，这是因为 GaN 材料的折射率2.5，空气的折射率1，GaN与空气界面发生全反射的临界角是23.6°，即有源区产生的光只有少数能够逃逸出体材料。目前国内外主要采用分布布喇格反射层 (DBR) 、图形化衬底（PSS）、表面粗化和光子晶体等技术来提高芯片的光提取效率。DBR、光子晶体和PSS制作过程对设备和工艺要求很高，工艺相对复杂，导致成本偏高，而表面粗化技术采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺，也存在很大挑战。新型的一维核壳结构的纳米棒在减少外延片中的缺陷密度，提高内量子效率方面有很大优势，但是制备有序的核壳结构纳米棒工艺复杂，难度较高。
技术实现思路
本专利技术为了解决传统工艺在提高芯片的光提取效率方面工艺复杂、成本高的问题，提供了一种GaN基LED外延结构及其制备方法。本专利技术是采用如下的技术方案实现的：一种GaN基LED外延结构，所述LED器件从下向上依次包括衬底、位于衬底上的自组装GaN纳米柱、位于GaN纳米柱上的非故意掺杂GaN层、位于非故意掺杂GaN层上的N型GaN层、位于N型GaN层上的多量子阱发光层、位于多量子阱发光层上的P型GaN层和位于P型GaN层上的P型GaN接触层。上述的GaN基LED外延结构，所述衬底为蓝宝石、Si、SiC、GaN中的一种。上述的一种GaN基LED外延结构，所述GaN纳米柱的高度为500-3000nm，直径为100-800nm，密度为107-109cm-2。上述的一种GaN基LED外延结构，所述非故意掺杂GaN层为生长在GaN纳米柱上的平整的GaN薄膜。上述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：S1：提供衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤10-20min，温度为1050-1200℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间10-50s；S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度950-1050℃，生长厚度1-10nm，SiNx薄层为不连续的薄膜；S3：通入TMG和NH3在AlN薄层上生长GaN种子层，N2作为载气，N2流量为4000-8000sccm，生长温度950-1050℃，生长时间为10s-50s，V/III比为10-50，GaN种子层优先生长在AlN薄层上不连续SiNx薄膜和没有覆盖SiNx的交汇处，覆盖SiNx薄膜的位置不会生长GaN种子层；S4：通入TMG和NH3在GaN种子层上垂直生长GaN纳米柱，载气为N2和H2，N2和H2的比例是35:1-50:1，生长温度950-1050℃，V/III比为10-50，生长初始阶段通入微量的SiH4，SiH4附着于纳米柱的侧壁，能够抑制GaN的横向生长，有助于GaN的垂直生长；S5：在GaN纳米柱上生长非故意掺杂GaN层，在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层， 在N型GaN层上生长多量子阱发光层，在多量子阱发光层上生长P型GaN层，在P型GaN层上生长P型GaN接触层，最后得到GaN基LED外延结构。该GaN基LED外延结构的制备方法可在MOCVD和MBE设备内完成。上述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，非故意掺杂GaN层生长时采取横向生长的方式形成表面平坦的GaN层，生长厚度为2~4um，生长温度为950-1200℃，V/III比为500-5000。本专利技术通过以上工艺，形成底部具有GaN纳米柱的LED外延结构。一方面纳米柱能够减少由于晶格失配引起的位错、V形坑等缺陷，提高外延片的晶体质量，另一方面纳米柱结构可以看作是表面粗化层，能够减少全内反射，提高光的出光效率。因此，底部具有GaN纳米柱的LED外延结构能够提高LED器件的光电性能。附图说明图1为现有技术中GaN基LED外延结构示意图。图2为本专利技术中GaN基LED外延结构示意图。图3为本专利技术中GaN基LED外延片制备的LED芯片结构示意图。图中：1-衬底，2-GaN纳米柱，3-非故意掺杂GaN层，4-N型GaN层，5-多量子阱发光层，6-P型GaN层，7-N型电极，8-P型电极。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。图1为现有技术中GaN基LED 外延片的结构示意图，从下向上依次包括：蓝宝石衬底、GaN 成核层、非故意掺杂 GaN 层、N 型 GaN 层、多量子阱发光层、P 型 GaN 层和 P 型 GaN 接触层。图2为本专利技术中GaN基LED外延片的结构示意图，外延片结构包括衬底，本实施方式中衬底为蓝宝石衬底，在其他实施方式中也可以为其他衬底材料，如Si、SiC、GaN等；位于衬底上的自组装GaN纳米柱，GaN纳米柱的高度为500-3000nm，直径为100-800nm，密度为107-109cm-2；位于GaN纳米柱上的非故意掺杂GaN层，非故意掺杂GaN层为生长在GaN纳米柱上的平整的GaN薄膜；位于非故意掺杂 GaN 层上的N型GaN层；位于N型GaN 层上多量子阱发光层；位于多量子阱发光层上的P型GaN层；位于P型GaN层上的 P 型 GaN 接触层。实施例一：一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：S1：清洁蓝宝石衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤10min，温度为1050℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间10s；S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度950℃，生长厚度1nm，SiNx薄层为不连续的薄膜；S3：通入TMG和NH3在AlN薄层上生长GaN种子层，N2作为载气，N2流量为4000sccm，生长温度950℃，生长时间为10s，V/III比为10，GaN种子层优先生长在AlN薄层上不连续SiNx薄膜和没有覆盖SiNx薄膜的交汇处，覆盖SiNx薄膜的位置不会生长GaN种子层；S4：通入TMG和NH3在GaN种子层上垂直生长GaN纳米柱，载气为N2和H2，N2和H2的比例是35:1，生长温度950℃，V/III比为10，生长的初始阶段通入微量的SiH4，SiH4附着于纳米柱的侧壁，能够抑制GaN的横向生长，有助于GaN的垂直生长；S5：在GaN纳米柱上生长非故意掺杂GaN层，非故意掺杂GaN层生长时采取横向生长的方式形成表面平坦的GaN层，生长厚度为2um，生长温度为950℃，V/III比为500，在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层， 在N型GaN层上生长多量子阱发光层，在多量子阱发光层上生长P型GaN层，在P型GaN层上生长P型GaN接触层，最后得到GaN基LED外延结构。实施例二：上述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：S1：清洁蓝宝石衬底并进行表面氮化，将衬底在H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基LED外延结构，其特征在于从下向上依次包括衬底（1）、位于衬底上的自组装GaN纳米柱（2）、位于GaN纳米柱上的非故意掺杂GaN层（3）、位于非故意掺杂GaN层上的N型GaN层（4）、位于N型GaN层上的多量子阱发光层（5）、位于多量子阱发光层上的P型GaN层（6）和位于P型GaN层上的P型GaN接触层。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于从下向上依次包括衬底（1）、位于衬底上的自组装GaN纳米柱（2）、位于GaN纳米柱上的非故意掺杂GaN层（3）、位于非故意掺杂GaN层上的N型GaN层（4）、位于N型GaN层上的多量子阱发光层（5）、位于多量子阱发光层上的P型GaN层（6）和位于P型GaN层上的P型GaN接触层。2.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于所述衬底为蓝宝石、Si、SiC、GaN中的一种。3.如权利要求1或2所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于所述GaN纳米柱的高度为500-3000nm，直径为100-800nm，密度为107-109cm-2。4.如权利要求1或2所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于所述非故意掺杂GaN层为生长在GaN纳米柱上的平整的GaN薄膜。5.如权利要求1所述的一种GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1：清洁衬底并进行表面氮化，将衬底在H2氛围中烘烤10-20min，温度为1050-1200℃，随后通入NH3进行氮化，生成AlN薄层，氮化时间10-50s；S2：通入SiNx和NH3在AlN薄层上生成SiNx薄层，生长温度950-1050℃，生长厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢太平，朱亚丹，赵广洲，许并社，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14