本发明专利技术提供了一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，包括如下步骤：Si衬底处理、在Si衬底上沉积AlN缓冲层，然后依次生长N‑GaN层、低温GaN层、10周期InGaN/GaN超晶格层、电子注入层、6个周期InGaN/GaN蓝光MQW层、7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层、P‑AlGaN电子阻挡层、P‑GaN层，继续生长高Mg掺杂的P‑GaN层；然后降温至710‑730℃，进行退火30‑60min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。本发明专利技术通过优化N型层掺杂、插入层中的低温GaN层厚度、InGaN/GaN超晶格层In组份和蓝光多量子阱结构阱厚，使大电流工作密度时，电子能够被冷却，减少载流子泄露，降低量子阱中的极化电场，同时有效缓解量子效率衰退，提高器件的发光效率。
【技术实现步骤摘要】
一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法
本专利技术属于半导体光电子领域，具体涉及一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法。
技术介绍
从节约能源以及提高光源色品质等角度考虑，基于三基色（红、绿、蓝）发光二极管构成的白光照明方式无疑是最优选择。多年来，紫光、蓝光LED的发光效率均有了快速的发展，AlGaInN蓝光LED的外量子效率已超过80%，然而绿光LED的发展却不尽如意，AlGaInN绿光LED的外量子效率却不足40%。当前，针对绿光LED量子效率的提升，目前已提出的一些有效措施，主要包括减少外延层中的缺陷密度，以及采用由InN/GaN组成的新型厚InGaN量子阱层等。其中，p-AlGaN作为电子阻挡层，其Al组份等参数的变化被发现对器件的量子效率亦有重要影响。但是，这些方法针对绿光LED光电性能提升都是独立进行，有些相互干扰的因素并没有进行交叉研究，最终产生的效果有限。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，通过对其结构进行优化，有效提高了器件的绿光发光效率。为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，包括如下步骤：（1）将Si片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中清洗，将清洗的Si片干燥后放入MOCVD反应室中，在氢气氛围下去除Si片表面氧化物，得到Si衬底，然后关闭MOCVD反应室；（2）先向反应室内通入TMAl10-15s，流量70-80μmol/min，再通入NH3，在Si衬底上沉积AlN缓冲层，包含中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层，其中，中温AlN缓冲层的生长温度为900~1000℃，高温AlN缓冲层的生长温度为1050~1070℃，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，压力均为100~300mbar；（3）反应室内温度为1050~1070℃，关闭TMAl的输出，通入TMGa，流量为150-200μmol/min，同时通入经H2稀释至250ppm的SiH4,压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，在AlN缓冲层上生长N-GaN层，厚度为2-3μm；（4）反应室内温度降低为700~800℃，压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在N-GaN层上生长低温GaN层，厚度为10-20nm；（5）向反应室内注入In源，在低温GaN层上生长10周期的InGaN/GaN超晶格层，生长温度为700-850℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（6）温度升高到1050-1070℃，在超晶格层上生长20-30nm的电子注入层GaN，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（7）向反应室内继续注入In源，在电子注入层GaN上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（8）向反应室内继续注入In源，在InGaN/GaN蓝光MQW层上生长7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（9）反应室内升温至960~1080℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在InGaN/GaN绿光MQW层上生长P-AlGaN电子阻挡层，厚度为20-30nm；（10）反应室内温度为1000~1050℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在P-AlGaN电子阻挡层上生长P-GaN层，厚度为80-100nm，（11）向反应室内注入Mg源，在步骤（10）的基础上生长高Mg掺杂的P-GaN层，保证P-GaN的厚度在100-120nm之间，温度为950~1000℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500~1500；（12）然后降温至710~730℃，进行退火30~60min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。其中，步骤（1）中表面去除氧化物操作的方法是通过预先通入H2气体，在1050-1100℃下处理3-5min。其中，步骤（2）中，中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层的总厚度为150-180nm，其中，高温AlN缓冲层的厚度为120-150nm。其中，步骤（5）、（7）、（8）中的In源为TMIn。其中，步骤（9）Al的组分为15~20%.其中，步骤（11）中的Mg源为Cp2Mg。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：本专利技术主要通过优化N型层掺杂、插入层中的低温GaN层厚度、InGaN/GaN超晶格层In组份和蓝光多量子阱结构阱厚，使大电流工作密度时，电子能够被冷却，减少了载流子泄露，降低了量子阱中的极化电场，同时有效缓解了量子效率衰退，提高了器件的发光效率。本专利技术的绿光LED的外量子效率大于40%，突破了传统产品的40%极限。附图说明图1为本专利技术设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构；图2为520nm时本专利技术器件在各温度时典型内量子效率；图3为530nm时本专利技术器件在各温度时典型内量子效率。附图标记说明：1、Si衬底；2、AlN缓冲层；3、N-GaN层；4、低温GaN层；5、InGaN/GaN超晶格层；6、电子注入层GaN;7、InGaN/GaN蓝光MQW层；8、InGaN/GaN绿光MQW层；9、P-AlGaN电子阻挡层；10、P-GaN层。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。实施例1本实施例提供了一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，是在MOCVD系统中进行结构生长的，以TMAl、TMGa、NH3和CP2Mg分别作为Al源、Ga源、N源和Mg掺杂剂，H2作为载气。Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法具体包括以下步骤：（1-1）将购买的800微米厚的Si衬底（Si(111)）在乙醇、丙酮和去离子水中清洗20min，100℃干燥后放置在MOCVD手套箱中，随后利用吸盘将衬底移动到反应室的衬底托盘上，在氢气氛围下将外延片表面温度升至1050℃，热处理5min彻底去除表面氧化物，得到Si衬底1；（1-2）反应室内降温到1000℃，先通入三甲基铝TMAl12s，再通入氨气NH3，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在Si衬底1上沉积中温AlN缓冲层，厚度30nm；其中，Ⅴ表示第五主族的元素，Ⅲ表示第三主族的元素。（1-3）反应室内升温至1050℃，继续生长120nm的高温AlN缓冲层，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，沉积高温AlN缓冲层；（1-4）反应室内温度保持不变，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在AlN缓冲层2上生长N-GaN层3，厚度为2.4μm；（1-5）反应室内温度降低到800℃，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在N-GaN层3上生长低温GaN层4，厚度为10nm；（1-6）在低温GaN层4上生长10周期的InGaN/GaN超晶格层5，反应室本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将Si片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中清洗，将清洗的Si片干燥后放入MOCVD反应室中，在氢气氛围下去除Si片表面氧化物，得到Si衬底，然后关闭MOCVD反应室；（2）先向反应室内通入TMAl 10‑15s，流量70‑80μmol/min，再通入NH3，在Si衬底上沉积AlN缓冲层，包含中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层，其中，中温AlN缓冲层的生长温度为900~1000℃，高温AlN缓冲层的生长温度为1050~1070℃，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，压力均为100~300 mbar；（3）反应室内温度为1050~1070℃，关闭TMAl的输出，通入TMGa，流量为150‑200 μmol/min，同时通入经H2稀释至250 ppm的SiH4, 压力为100~300 mbar，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，在AlN缓冲层上生长N‑GaN层，厚度为2‑3μm；（4）反应室内温度降低为700~800℃，压力为100~300 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在N‑GaN层上生长低温GaN层，厚度为10‑20 nm；（5）向反应室内注入In源，在低温GaN层上生长10周期的 InGaN/GaN超晶格层，生长温度为700‑850℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（6） 温度升高到1050‑1070 ℃，在超晶格层上生长20‑30nm的电子注入层GaN，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（7）向反应室内继续注入In源，在电子注入层GaN上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（8）向反应室内继续注入In源，在InGaN/GaN蓝光MQW层上生长7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（9）反应室内升温至960~1080℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在InGaN/GaN绿光MQW层上生长P‑AlGaN电子阻挡层，厚度为20‑30 nm；（10）反应室内温度为1000~1050℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在P‑AlGaN电子阻挡层上生长P‑GaN层，厚度为80‑100 nm，（11）向反应室内注入Mg源，在步骤（10）的基础上生长高Mg掺杂的P‑GaN层，保证P‑GaN的厚度在100‑120 nm之间，温度为950~1000℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500~1500；（12）然后降温至710~730℃，进行退火30~60min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。...
【技术特征摘要】
2018.10.30 CN 20181127932481.一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将Si片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中清洗，将清洗的Si片干燥后放入MOCVD反应室中，在氢气氛围下去除Si片表面氧化物，得到Si衬底，然后关闭MOCVD反应室；（2）先向反应室内通入TMAl10-15s，流量70-80μmol/min，再通入NH3，在Si衬底上沉积AlN缓冲层，包含中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层，其中，中温AlN缓冲层的生长温度为900~1000℃，高温AlN缓冲层的生长温度为1050~1070℃，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，压力均为100~300mbar；（3）反应室内温度为1050~1070℃，关闭TMAl的输出，通入TMGa，流量为150-200μmol/min，同时通入经H2稀释至250ppm的SiH4,压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，在AlN缓冲层上生长N-GaN层，厚度为2-3μm；（4）反应室内温度降低为700~800℃，压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在N-GaN层上生长低温GaN层，厚度为10-20nm；（5）向反应室内注入In源，在低温GaN层上生长10周期的InGaN/GaN超晶格层，生长温度为700-850℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（6）温度升高到1050-1070℃，在超晶格层上生长20-30nm的电子注入层GaN，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（7）向反应室内继续注入In源，在电子注入层GaN上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；（8）向反应...
【专利技术属性】
技术研发人员：白俊春，周小伟，景文甲，李培咸，平加峰，
申请(专利权)人：江苏晶曌半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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