一种提高GaN基LED发光效率的外延结构制造技术

本发明专利技术公开了一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，所述外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。本发明专利技术在蓝宝石衬底与低温GaN缓冲层之间具有Al2O3缓冲层，通过Al2O3缓冲层和低温GaN缓冲层的双层缓冲作用，提高GaN材料的晶体质量，从而提高LED的发光效率。

An epitaxial structure to improve the luminescence efficiency of GaN based LED

The present invention discloses an epitaxial structure for improving the luminescence efficiency of GaN based LED. The epitaxial structure is a cascade structure of sapphire substrate, Al2O3 buffer layer, low temperature GaN buffer layer, unintentionally doped high temperature GaN layer, N type GaN layer, InGaN/GaN multiple quantum well layer, P type AlGaN layer and P type GaN layer. The invention has a Al2O3 buffer layer between sapphire substrate and low temperature GaN buffer layer, and improves the crystal quality of the GaN material by the double buffer action of the Al2O3 buffer layer and the low temperature GaN buffer layer, thus improving the luminous efficiency of the LED.

【技术实现步骤摘要】
一种提高GaN基LED发光效率的外延结构
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种提高GaN基LED发光效率的外延结构。
技术介绍
GaN基LED由于具有光电转换效率高、寿命长、损耗低、无污染等显著优势，近些年来得到了突飞猛进的发展。在GaN基LED技术的发展过程中，整个产业链各个环节关键技术的应用为GaN基LED的产业化及其应用创造了条件。其中，外延技术对GaN基LED至关重要。外延技术的发展主要经历了三个突破，第一个突破是低温缓冲层技术的应用，使得GaN材料的晶体质量迅速提高，从此GaN材料的晶体质量实现了飞跃；第二个突破是p型GaN材料的成功制备，这为GaN基LED的大规模生产扫除了障碍；第三个突破是蓝宝石图形衬底的应用，使得GaN基LED的亮度大幅提高，为GaN基LED的大规模应用创造了条件。低温缓冲层技术的关键是制备低温GaN或AlN缓冲层，调节蓝宝石衬底与GaN的晶格失配，从而提高GaN材料的晶体质量，提高GaN基LED的发光效率。关于缓冲层结构，中国专利申请CN103296161A提出一种GaN基LED超晶格缓冲层结构，该超晶格缓冲层结构为由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替的层叠结构，其中，0.01≤x≤1，且各Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增。该专利仅采用GaN或AlN材料做缓冲层，缓冲效果有限。
技术实现思路
本专利技术针对现有缓冲层技术存在的不足，提出一种提高GaN基LED发光效率的外延结构。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，所述提高GaN基LED发光效率的外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。进一步地，所述蓝宝石衬底为蓝宝石平面衬底或蓝宝石图形衬底。进一步地，所述Al2O3缓冲层由单层或多层Al2O3薄膜构成。进一步地，所述Al2O3缓冲层的厚度为h，0＜h＜100nm。进一步地，它通过以下方法制备得到：(1)将原子层沉积系统反应室抽真空，待压力小于2x10-5Torr后，把蓝宝石衬底从送样室转移至反应室，将反应室温度升高至200℃，以Ar为载气，以三甲基铝和水为反应源，待温度稳定后开始生长Al2O3，周期数为1～1250，厚度为h，0＜h＜100nm。待生长完成后，将具有Al2O3缓冲层的蓝宝石衬底在N2气氛下退火，退火温度为400℃，时间为10min。(2)将步骤1处理后的蓝宝石衬底放入MOCVD反应室，在H2气氛下进行脱附后，将反应室温度调整至540℃，打开NH3和TMGa阀门，生长低温GaN缓冲层，低温GaN缓冲层的厚度为30nm。(3)将反应室压力和温度分别调整至200Torr和1060℃，打开TMGa阀门，生长非故意掺杂高温GaN层，厚度为3.5um。(4)打开SiH4阀门，生长n型GaN层，n型GaN层的掺杂浓度为8E18cm-3，厚度为1.5um。(5)将反应室温度降低至740℃，打开TMIn和TMGa阀门，生长InGaN/GaN多量子阱层，量子阱周期为5，InGaN层和GaN层的厚度分别为2.6nm和12nm。(6)将反应室温度升高至920℃，打开Cp2Mg、TMGa和TMAl阀门，在NH3气氛下生长p型AlGaN层，厚度20nm。(7)打开Cp2Mg和TMGa阀门，在H2气氛下生长p型GaN层，厚度60nm。(8)待反应室温度降低到小于180℃后，将外延片从反应室中取出，得到提高GaN基LED发光效率的外延结构。本专利技术的有益效果是，本专利技术综合考虑蓝宝石衬底材料与GaN材料之间的晶格失配，在蓝宝石衬底与低温GaN或AlN缓冲层之间增加Al2O3缓冲层，不仅可以提高GaN基LED材料质量，而且可以提高GaN基LED的发光效率，具有非常重要的商业价值。附图说明图1是本专利技术提高GaN基LED发光效率的外延结构的结构示意图。具体实施方式如图1所示，提高GaN基LED发光效率的外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。本专利技术提出一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，目的是进一步释放应力，提高GaN材料的晶体质量，从而提高GaN基LED的发光效率。具体实施步骤如下：1、将原子层沉积系统反应室抽真空，待压力小于2x10-5Torr后，把蓝宝石衬底从送样室转移至反应室，将反应室温度升高至200℃，以Ar为载气，以三甲基铝和水为反应源，待温度稳定后开始生长Al2O3，周期数为1～1250，厚度为h，0＜h＜100nm。待生长完成后，将具有Al2O3缓冲层的蓝宝石衬底在N2气氛下退火，退火温度为400℃，时间为10min。2、将完成步骤1后的蓝宝石衬底放入MOCVD(metalorganicchemicalvapordeposition，金属有机物化学气相沉积)反应室，在H2气氛下进行脱附后将反应室温度调整至540℃，打开NH3(氨气)和TMGa(三甲基镓)阀门生长低温GaN缓冲层，低温GaN缓冲层的厚度为30nm。3、将反应室压力和温度分别调整至200Torr和1060℃，打开TMGa阀门生长非故意掺杂GaN层，厚度为3.5um。4、打开SiH4(硅烷)阀门生长n型GaN层，n型GaN层的掺杂浓度为8E18cm-3，厚度为1.5um。5、将反应室温度降低至740℃，打开TMIn(trimethylindium，三甲基铟)和TMGa阀门，生长InGaN/GaN多量子阱层，量子阱周期为5，InGaN层和GaN层的厚度分别为2.6nm和12nm。6、将反应室温度升高至920℃，打开Cp2Mg(Bis-cyclopentadienylmagnesium，二茂镁)、三甲基镓TMGa和三甲基铝TMAl阀门，在NH3气氛下生长p型AlGaN层，厚度20nm。7、打开Cp2Mg和TMGa阀门，在H2气氛下生长p型GaN层，厚度60nm。8、待反应室温度降低到小于180℃后，将外延片从反应室中取出，得到提高GaN基LED发光效率的外延结构。以上实例仅用于说明而非限制本专利技术技术方案。任何不脱离本专利技术范围的技术方案，均应涵盖在本专利技术专利保护范围之中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述提高GaN基LED发光效率的外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。

【技术特征摘要】
1.一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述提高GaN基LED发光效率的外延结构为由蓝宝石衬底、Al2O3缓冲层、低温GaN缓冲层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层依次层叠的层叠结构。2.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述蓝宝石衬底为蓝宝石平面衬底或蓝宝石图形衬底。3.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述Al2O3缓冲层由单层或多层Al2O3薄膜构成。4.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，所述Al2O3缓冲层的厚度为h，0＜h＜100nm。5.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于，它通过以下方法制备得到：(1)将原子层沉积系统反应室抽真空，待压力小于2x10-5Torr后，把蓝宝石衬底从送样室转移至反应室，将反应室温度升高至200℃，以Ar为载气，以三甲基铝和水为反应源，待温度稳定后开始生长Al2O3，周期数为1～1250，厚度为h，0＜h＜100nm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙一军，程志渊，周强，孙颖，孙家宝，刘艳华，王妹芳，盛况，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33