一种LED外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术是一种LED外延结构及其制备方法，该结构包括蓝宝石衬底，依次层叠形成在所述衬底（111）晶面上的形核层、非掺杂GaN层、SiNx层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层，所述n型GaN层和InGaN/GaN多量子阱层之间进行H2气氛中高温保温的步骤。该方法利用了GaN高温分解的性质。在n型GaN层高温分解过程中，由于位错等缺陷处的热稳定性较差，会优先分解，H2气氛有助于加快分解，进而形成不规则的丘陵状结构，再进行后续生长步骤，最终制备出具有诸多优点的LED外延结构。

LED epitaxial structure and preparation method thereof

The present invention relates to a LED epitaxial structure and its preparing method, the structure includes a sapphire substrate, sequentially formed over the substrate (111) crystal on the surface of the nucleation layer, an undoped GaN layer, SiNx layer, n layer, GaN InGaN/GaN multi quantum well layer and a p type GaN layer, H2 atmosphere in high temperature insulation steps between the N layer and GaN layer of InGaN/GaN multiple quantum wells. This method utilizes the properties of GaN decomposition at high temperature. In the N type GaN layer high temperature decomposition process, the thermal stability of dislocation defects such as the poor, will give priority to decomposition, H2 atmosphere can accelerate the decomposition, and the formation of a hill shaped irregular structure, and then subsequent growth steps, the final preparation of LED epitaxial structure has many advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种LED外延结构及其制备方法
本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种LED外延结构及其制备方法。
技术介绍
LED作为第三代光源，具有亮度高、成本低、寿命长、体积小、节能环保等诸多优点。近年来，随着技术的成熟和成本的降低，LED市场迎来了爆发式增长，正逐步走向平民家庭，广泛运用在照明、显示、装饰等各个领域。自1996年商用GaN基LED问世以来，已走过二十多年的发展历程，现早已成为LED照明市场的主流产品。但目前制备GaN基半导体材料仍有诸多问题亟待解决，例如生长工艺参数对GaN晶体质量的影响机制还不明确，制备高空穴浓度低电阻率的p型GaN以及高质量的量子阱难以实现等，因此研发新型GaN基LED外延结构具有重要意义。目前，产业化的GaN基LED外延层多为二维的多层膜结构，虽然制备过程简单、成本低，但多层膜结构有许多先天不足，比如GaN与衬底之间存在较大的晶格失配，产生位错，形成非辐射复合中心，降低了内量子效率；存在较强的压电极化现象，产生量子限制斯塔克效应，使载流子复合几率减小；由于多层膜之间存在全反射现象，降低了光提取效率等等，因此二维多层膜结构难以满足市场对大功率高亮度LED的需求，而能克服以上不足的三维LED外延结构逐渐成为科研人员研究的焦点，但仍处于实验室研究阶段。目前最常用的合成三维GaN基LED外延结构的方法，是用诸如MOCVD、HVPE以及MBE等传统半导体合成方法直接在衬底上生长三维GaN微纳米阵列，但这些方法存在诸多弊端，例如很难完全避免催化剂的污染，导致杂质缺陷的产生，影响LED的发光性能；结构中存在大量极性反转区域；采用光刻技术时微纳米结构的尺寸受限于光刻技术的分辨率，最小只能到20nm左右，且刻蚀掩膜层后的残留物以及空气污染等问题很难避免等。这些问题限制了三维GaN微/纳米阵列传统制备方法的发展。为此，我们研究了一种简便易行的制备方法，利用GaN高温分解的性质，对原位生长的GaN基外延层进行高温分解再进行后续生长从而得到三维LED外延结构。
技术实现思路
本专利技术所要解决的是现有LED外延结构制备方法的杂质多，结构不稳定，工艺复杂等缺点，提供一种工艺简单的LED外延结构及其制备方法。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术所述的一种LED外延结构，包括蓝宝石衬底，依次层叠形成在所述衬底（111）晶面上的形核层、非掺杂GaN层、SiNx层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层。所述非掺杂GaN层的厚度为1μm；且所述非掺杂GaN层具有二维生长的（0001）晶面。所述SiNx层的厚度为纳米级，具有较高的热稳定性，当所述n型GaN层分解到该层时会停止分解。所述n型GaN层厚度为h，h的大小将决定三维丘陵状GaN结构的厚度。本专利技术所述的一种LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：S1、在蓝宝石衬底上形成形核层；S2、在所述形核层上形成非掺杂GaN层；S3、在所述非掺杂GaN层上形成SiNx层；S4、在所述SiNx层上形成n型GaN层；S5、将以上步骤形成的样品在H2气氛中进行高温分解；S6、在S5步骤所得样品上形成InGaN/GaN多量子阱层；S7、在所述InGaN/GaN多量子阱层上形成p型GaN层。优选地，所述步骤S1、S2与S4中，所述形核层、非掺杂GaN层和n型GaN层的镓源均为TMGa，氮源均为NH3，生长温度分别为500℃~570℃、1000℃~1100℃和1000℃~1100℃，n型GaN层的Si源为SiH4。优选地，所述步骤S3中，所述SiNx层的硅源为SiH4，氮源为NH3，生长温度为1050℃。优选地，所述步骤S5中，所述分解温度为900℃~1100℃，所述分解时间为10~20min。优选地，所述步骤S6中，所述InGaN/GaN多量子阱层，阱层生长温度为700℃~800℃，垒层生长温度为800℃~900℃，铟源为TMIn，镓源均为TMGa，氮源均为NH3。优选地，所述步骤S7中，所述p型GaN层的生长温度为900℃~1000℃，镁源为Cp2Mg，镓源均为TMGa，氮源均为NH3。本专利技术中上述的技术方案具有以下优点：1、本专利技术所述的一种LED外延结构，包括蓝宝石衬底，依次层叠形成在所述衬底（111）晶面上的形核层、非掺杂GaN层、SiNx层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层，与传统的二维LED外延结构相比，具有更大的发光面积，能有效避免效率骤降的问题，且能减少全反射损失，是二维LED外延结构的理想替代品。2、本专利技术所述的一种LED外延结构的制备方法，能完全避免催化剂的污染，制备出的三维LED外延结构尺寸更小；比表面积大，如图1所示，图1中（a）和（b）分别是未经和经过在H2中高温分解步骤的样品的SEM图，从图中可以直观看出，图1（a）呈平面状，图1（b）呈丘陵状，经过在H2中高温分解步骤的样品具有更大的比表面积，相同的电流密度下可以产生更多的光子数，提高了内量子效率。3、本专利技术所述的一种LED外延结构的制备方法，所述SiNx层是在非掺杂GaN层出现位错的地方形核，因此SiNx层会屏蔽掉部分位错，使之不会继续向上穿透，有效降低该结构的位错密度，从而减少有源区的非辐射复合中心，提高LED外延结构的内量子效率。4、本专利技术利用了GaN高温分解的性质，在n型GaN层高温分解过程中，由于位错等缺陷处的热稳定性较差，会优先分解，H2气氛有助于加快分解，进而形成不规则的丘陵状结构，再进行后续生长步骤，最终制备出具有诸多优点的LED外延结构。附图说明为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中图1是未经H2中高温分解和经过在H2中高温分解步骤的样品的SEM对比图。图2是本专利技术所述的LED外延结构的实验步骤。具体实施方式为了便于理解本专利技术的目的、技术方案和优点，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。本专利技术可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供此实施例，使得本专利技术将是彻底的和完整的，并且将把本专利技术的构思充分传达给本领域技术人员，本专利技术将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸及相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”或“设置在”另一元件“上”时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。实施例本实施例提供一种LED外延结构的制备方法，如图2所示，所述结构包括蓝宝石衬底，依次层叠形成在所述衬底（111）晶面上的形核层、非掺杂GaN层、SiNx层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层。作为本专利技术的一个实施例，本实施例中非掺杂GaN层的厚度为1μm；SiNx层的厚度为10nm；n型GaN层的厚度为3μm；InGaN/GaN多量子阱层为三个阱垒周期；p型GaN层的厚度为3μm；分解温度为1000℃；分解时间为20min。作为本专利技术的可变换实施例，非掺杂GaN层的厚度为100nm~1μm、SiNx层的厚度为10nm~100nm、n型GaN层的厚度为1μm~3μm，InGaN/GaN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED外延结构，其特征在于：该结构包括蓝宝石衬底，依次层叠形成在所述衬底（111）晶面上的形核层、非掺杂GaN层、SiNx层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层；所述n型GaN层和InGaN/GaN多量子阱层之间进行H2气氛中保温的步骤。

【技术特征摘要】
1.一种LED外延结构，其特征在于：该结构包括蓝宝石衬底，依次层叠形成在所述衬底（111）晶面上的形核层、非掺杂GaN层、SiNx层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层；所述n型GaN层和InGaN/GaN多量子阱层之间进行H2气氛中保温的步骤。2.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述SiNx层厚度为纳米级尺寸；且所述SiNx层具有极高的热稳定性。3.根据权利要求1或2所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述非掺杂GaN层的厚度为1μm；且所述非掺杂GaN层具有二维生长的（0001）晶面；所述n型GaN层厚度为h，h的大小将决定高温分解后三维丘陵状结构的厚度。4.一种LED外延结构的制备方法，用于制备如权利要求1-3任一项所述的LED外延结构，其特征在于，包括如下步骤：S1、在蓝宝石衬底上形成形核层；S2、在所述形核层上形成非掺杂GaN层；S3、在所述非掺杂GaN层上形成SiNx层；S4、在所述SiNx层上形成n型GaN层；S5、将以上步骤形成的样品在H2气氛中进行高温分解；S6、在S5步骤所得样品上形成InGaN/GaN多量子阱层；S7、在所述InGaN/GaN多量子阱层上...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾伟，樊腾，仝广运，李天保，翟光美，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