一種高出光率SiC襯底LED晶片及其製備方法
2023-06-11 15:07:51
專利名稱：一種高出光率SiC襯底LED晶片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高出光率的SiC襯底LED晶片及其製備方法，屬於光電子技術領域。
背景技術：
以GaN為代表的三族氮化物(A1N、 GaN、 InN、 AlGalnN)由於具有優良的光電特性，因而在藍光、綠光、紫外發光二極體(LED)及高頻、高溫大功率電子器件中得到廣泛應用。由於缺乏晶格匹配的襯底，三族氮化物都是異質外延在其他材料上，常用的襯底有藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氧化鋅等，常用的外延方法有金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)等。
而SiC (碳化矽)是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優勢。由於具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達60(TC，而Si器件的最高工作溫度局限在175'C。SiC器件的高溫工作能力降低了對系統熱預算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導率、高擊穿電場強度、高飽和漂移速率、高熱穩定性和化學惰性，其擊穿電場強度比同類Si器件要高。
對於GaN基的LED， SiC襯底的導熱性能(SiC的導熱係數為490W/(m K))要比藍寶石襯底高出10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導體，並且在製作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用SiC襯底，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。但是相對於藍寶石襯底而言，SiC襯底製造成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。
SiC作為襯底材料應用的廣泛程度僅次於藍寶石，目前還沒有第三種襯底用於GaN LED的商業化生產。SiC襯底有化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，由於SiC襯底有益的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaN LED器件的散熱問題，故在半導體照明技術領域佔重要地位。但不足方面也很突出，如價格太高，'晶體質量難以達到藍寶石和Si那麼好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發380納米以下的紫外LED。並且SiC襯底LED的正面出光效率非常低，如圖1所示，理論分析如下
由於GaN折射率小於SiC，所以不會發生全反射，有效輻射角為180，有效出射率100%。但SiC進入到GaN是有效輻射角為120. 74，有效出射率67. 08%。光從SiC進入到空氣中時，SiC有效輻射角為44.52，有效出'射率28.89呢。此時GaN裡的光經過SiC後輻射角變小，因此計算GaN在空氣中的輻射範圍時應重新考慮它的效率。由於是球體均勻輻射，所以在SiC內120.74度的角內也可認為是均勻輻射。此時在SiC內的光不能按照球體輻射了，應按球冠輻射計算。所以此時SiC有效出射率44.25/120.74=36.65%，下表面的範圍輻射效率為-100%*36. 65%*50%=18. 375%。
圖2給出了SiC基LED光線向下出射的示意圖，圖中入射光線中"~^'表示可進入空氣，"--一，表示臨界，"一表示不能進入空氣。所形成夾角包含的區域為光的可探測範圍。因此也可看出下半球的光全部可以從GaN射入SiC中。只有部分光可以從SiC射入空氣中。
顯然SiC在下表面的出射光要比藍寶石大的多，約為它的1.678倍。在上表面出射光相同的條件下，顯然SiC在下表面的出射光範圍要比藍寶石大，那麼它的上表面光出射效率，比藍寶石要小。
現有的SiC襯底的GaN基LED晶片的結構如圖3所示，由下至上依次為SiC襯底、A1N緩衝層、UGaN層(UndopedGaN，不摻雜GaN)、 N型GaN層、MQW層(多量子阱層)、P型AlGaN層和P型GaN層，都沒有DBR (分布布拉格反射)層，存在出光效率非常低的問題。
雖然現有LED中也有採用DBR的，但只局限於AlGalnP紅黃光材料，在AlGalnN藍綠光材料中沒有應用DBR的，更不要說是SiC襯底材料，藍綠光材料生長DBR實現難度比較大，在UGaN層(Undoped GaN,不摻雜GaN)與NGaN (doped GaN，摻雜GaN層)之間加入DBR時，由於晶格適配比較大，生長時很容易長裂，因此目前尚未見到有關帶DBR層的SiC襯底GaN基LED晶片的報導。
發明內容
本發明針對現有SiC襯底的GaN基LED晶片存在的出光效率低的問題，提供一種出光率高的高出光率SiC襯底LED晶片，同時提供一種該LED晶片的製備方法。
本發明的高出光率SiC襯底LED晶片由下至上依次包括SiC襯底、A1N緩衝層、UGaN層、N型GaN層、MQW層(多量子阱層)、P型AlGaN層和P型GaN層，在UGaN層和N型GaN層之間設有10-20個循環層形成的DBR (分布布拉格反射)層，每個循環層包括一個AlGaN層和一個GaN層，AlGaN層的厚度為48.3-55.8nm ， GaN層的厚度為55. 8nm，每個循環層的厚度是104. lnm-lll. 6nm， DBR層中的AlGaN層中Al的摩爾量為30%-70%。
上述高出光率SiC襯底LED晶片的製備方法，採用M0CVD (金屬有機物化學氣相沉積)設備，包括以下步驟
(1) 首先在900°C -1100°C下在SiC襯底上沉積一層厚度為20nm-60nm的高溫A1N緩衝
層；
(2) 保持900。C -1100°C，在高溫A1N緩衝層上生長lum厚的UGaN層；
(3) 然後在900。C -1100。C生長10-20個循環層，每個循環層包括一個AlGaN層和一個GaN層，AlGaN層的厚度為48. 3-55. 8nm , GaN層的厚度為55. 8nm，每個循環層的厚度是104, lnm-111. 6nra, AlGaN層中Al的摩爾量為30%-70%; (4) 繼續在900°C -1100°C下在UGaN層上生長3um厚的摻雜Si的N型GaN層，摻Si量為5E17個原子/cm3-5E19個原子/cm3;
(5) 600。C -900°C下在N型GaN層生長厚lOOnm的InGaN層與GaN層交替生長的MQW(多量子阱)，每層InGaN的厚度為2咖-5nm，每層GaN的厚度為12nm -15nm;
(6) 800°C -1000°C下在MQW上面生長一層lOnm-40nm厚的電子阻擋層，即摻雜Mg的P型AlGaN，摻Mg量為5E19個原子/cm3-5E21個原子/cm3;
(7) 800。C - 1000°C下在P-AlGaN上面生長厚lOOnm-300nm的摻雜Mg的P-GaN層，摻Mg量5E19個原子/cra3-5E21個原子/cm3。
本發明在現有SiC襯底的GaN基LED晶片的UGaN層和N型GaN層之間生長了 DBR層，利用多個循環的DBR層，使得發光強度提高了 30%-50%。
圖l是SiC襯底LED的正面出光效率分析圖。圖2是SiC襯底LED光線向下出射的示意圖。圖3是現有SiC襯底LED晶片的結構示意圖。圖4是本發明的SiC襯底LED晶片的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖4所示，本發明的高出光率SiC襯底LED晶片與現有結構一樣，由下至上依次也包括SiC襯底、A1N緩衝層、UGaN層、N型GaN層、MQW層(多量子阱層)、P型AlGaN層和P型GaN層。不同之處在於，本發明在UGaN層和N型GaN層之間設有10-20個循環層形成的DBR (分布布拉格反射)層，每個循環層包括一個AlGaN層和一個GaN層，AlGaN層的厚度為48. 3-55. 8nm ， GaN層的厚度為55. 8nm，每個循環層的厚度是104. lnm-111. 6nm， AlGaN層中Al的摩爾量為30%_70%。
DBR層中每個AlGaN與GaN循環層的厚度計算是根據公式h=A/4n,入為波長，n為折射率，n相差越大，反射效果越好；但是不要超過臨界值，以防應力太大，出現裂紋；所以AlGaN中Al在30%-70% (摩爾量)之間最好。GaN折射率為n=2. 38; AlGaN折射率為n=2. 06-2. 38，隨著A1組分摩爾量的增加，n減小，所以DBR層中AlGaN層的厚度為48. 3-55. 8nm ，GaN層的厚度為55. 8nm。
上述高出光率SiC襯底LED晶片的製備方法是
利用M0CVD (金屬有機物化學氣相沉積)設備，首先將SiC襯底在900度-1100度沉積一層20nm-60nm高溫AlN緩衝層，之後可以在900°C -1100°C通入NH3，保持14分鐘，退一下火。保持900°C -1100。C，在高溫A1N緩衝層上生長l咖厚的UGaN層。然後在900-1100°C生長10-20個循環的AlGaN/GaN的DBR層，每個循環的DBR層厚度是104. Iran-111. 6nm，控制DBR層的AlGaN中Al的摩爾量為30%-70%，對MQW發出來的向下的光進行反射。然後在溫度900-1100°C下繼續生長3um厚的N型GaN層，控制N型GaN層中摻Si量為5E17個原子/cm3-5E19個原子/cm3;在600°C _900°C下在N型GaN層生長厚lOOnra的InGaN層與GaN層交替生長的MQW(多量子阱)，每層InGaN的厚度為2 nm-5nm，每層GaN的厚度為12 nm-15nm;再在MQW上面生長一層厚的電子阻擋層，即P型AlGaN，並控制摻雜Mg量為5E19個原子/cm3-5E21個原子/cm3。最後在P-AlGaN上面生長厚100-300nm的P-GaN層，並控制摻雜Mg量為5E19個原子/cm3-5E21個原子/cm3。
利用DBR可以有效的提高向正面出光的效率。在N型GaN下面加入DBR層後，通過實驗，與沒有加入的比較，出光效率提高了 30-50%。
權利要求
1.一種高出光率SiC襯底LED晶片，由下至上依次包括SiC襯底、AlN緩衝層、UGaN層、N型GaN層、MQW層、P型AlGaN層和P型GaN層，其特徵是在UGaN層和N型GaN層之間設有10-20個循環層形成的DBR層，每個循環層包括一個AlGaN層和一個GaN層，AlGaN層的厚度為48.3-55.8nm，GaN層的厚度為55.8nm，每個循環層的厚度是104.1nm-111.6nm，DBR層中的AlGaN層中Al的摩爾量為30％-70％。
2. —種權利要求l所述高出光率SiC襯底LED晶片的製備方法，採用MOCVD設備，包括以下 步驟(1) 首先在900°C _1100°C下在SiC襯底上沉積一層厚度為20nm-60nm的高溫A1N緩衝層；(2) 保持900。C -1100°C，在高溫A1N緩衝層上生長lum厚的UGaN層；(3) 然後在900。C -1100。C生長10-20個循環層，每個循環層包括一個AlGaN層和一個 GaN層，AlGaN層的厚度為48. 3-55. 8nm , GaN層的厚度為55. 8nm，每個循環層的厚度是 104. lnm-111. 6nm， AlGaN層中Al的摩爾量為30%-70%;(4) 繼續在900°C -1100°C下在UGaN層上生長3um厚的摻雜Si的N型GaN層，摻Si 量為5E17個原子/ci^-5E19個原子/cm3;(5) 600°C -900°C下在N型GaN層生長厚lOOnm的InGaN層與GaN層交替生長的MQW， 每層InGaN的厚度為2nm -5nm，每層GaN的厚度為12nm -15nm;(6) 800°C -1000°C下在MQW上面生長一層10nm-40nm厚的電子阻擋層，即摻雜Mg的P 型AlGaN，摻Mg量為5E19個原子/cm3-5E21個原子/cm3 ;(7) 800°C -1000。C下在P-AlGaN上面生長厚100nm-300nm的摻雜Mg的P-GaN層，摻Mg量 5E19個原子/cm3-5E21個原子/cm3。
全文摘要
本發明提供了一種高出光率SiC襯底LED晶片及其製備方法。該高出光率SiC襯底LED晶片包括SiC襯底、AlN緩衝層、UGaN層、N型GaN層、MQW層、P型AlGaN層和P型GaN層，在UGaN層和N型GaN層之間設有10-20個循環層的AlGaN與GaN交替的DBR層，每個循環的DBR層厚度是104.1nm-111.6nm。其製備方法的步驟是在900℃-1100℃下在SiC襯底上沉積一層高溫AlN緩衝層；在高溫AlN緩衝層上生長1um厚的UGaN層；生長10-20個循環的AlGaN與GaN的DBR層，每個循環的DBR層厚度是104.1nm-111.6nm；生長N型GaN層；在600℃-900℃之間生長MQW；生長一層P型AlGaN；生長P-GaN層。本發明利用多個循環DBR層，使得發光強度提高了30％-50％。
文檔編號H01L33/00GK101640241SQ20091001815
公開日2010年2月3日 申請日期2009年9月8日 優先權日2009年9月8日
發明者任忠祥, 吳德華, 張鴻月, 徐現剛, 爽 曲, 朱學亮, 李樹強 申請人:山東華光光電子有限公司