一種Si基GaN的LED結構及其製作方法

2023-07-15 23:17:36

一種Si基GaN的LED結構及其製作方法
【專利摘要】一種Si基GaN的LED結構及其製作方法，該其結構依次包括Si襯底、第一高溫AlN、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格、第二高溫AlN、GaN非摻雜層、P型接觸層、高溫P型GaN層、P型電子阻擋層、多量子阱層、N型GaN層；所述第一高溫AlN、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格、第二高溫AlN4組成的三明治結構緩衝層。本發明中三明治緩衝層結構以夾心層形成裂紋的形式來緩解結構材料與Si襯底之間的晶格失配和熱失配，同時在襯底剝離之後，在P型GaN表面形成光線的漫反射區從而有效提高氮化鎵基發光二極體的發光效率。
【專利說明】—種Si基GaN的LED結構及其製作方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及LED (Light Emitting D1de,發光二極體)製造領域,更具體的說是涉及一種Si (矽)襯底氮化鎵GaN基LED結構及其製作方法。

【背景技術】
[0002]隨著進入21世紀以來節能環保這一新興概念也在LED (Light Emitting D1de,發光二極體)行業開始升溫。而以GaN(氮化鎵)基LED為基礎器件的白光LED技術也得到了迅猛發展。以GaN藍光LED晶片作為激發源的白光LED單燈光源效率已達到130流明/瓦以上，遠遠超過了普通節能燈的光效，LED技術已開始全面進入通用照明市場。隨著GaN基LED應用範圍的進一步擴大，對LED器件發光效率的要求也越來越高，各種新的外延方法、新的晶片製作工藝、新的器件結構不斷推陳出新，或者是提升現有結構的利用效率，以此來達到不斷提升GaN LED出光效率和出光特性的目的。
[0003]目前，在現有技術中，一種主要的提高出光效率的方法是在LED最表面製備一層毛化的表面以減小GaN材料與空氣界面的全反射。但是需要額外的工藝處理步驟。對於垂直結構的LED，工藝步驟就更加繁瑣。


【發明內容】

[0004]有鑑於此，本發明提供了一種Si (矽)襯底GaN基LED結構及其製作方法，利用Si襯底與GaN之間大的晶格失配和熱失配在緩衝層中所形成的裂紋，作為LED出光的漫反射區，以達到提高氮化鎵基發光二極體的發光效率的目的。
[0005]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案，一種矽襯底氮化鎵基發光二極體LED結構，其外延結構依次包括Si襯底1、第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫A1N4、GaN非摻雜層5、P型接觸層6、高溫P型GaN層7、P型電子阻擋層8、多量子阱層9、N型GaN層10 ;所述第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫A1N4組成的三明治結構緩衝層。
[0006]—種娃襯底氮化鎵基發光二極體LED結構製備方法,其外延結構生成順序包括Si襯底1、第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫AlN4、GaN非摻雜層
5、P型接觸層6、高溫P型GaN層7、P型電子阻擋層8、多量子阱層9、N型GaN層10 ;所述第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫A1N4組成的三明治結構緩衝層。
[0007]第一高溫A1N2生長厚度為60-100nm，生長溫度為1050-1150 °C，生長壓力50-200torr。
[0008]三明治結構中的上下兩層生長條件一致。三明治夾心層的漸變組分AlGaN的Al組分有I漸變至0，或者AlN/GaN超晶格參數為2nm/2nm，20-30個周期。夾心層總厚度在Ium以內。
[0009]所述的GaN非摻雜層5厚度為1-1.2 μ m，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600Torr 之間，V / III比為 100-3000。
[0010]所述的P型接觸層6厚度為5-20nm，生長溫度在850_1050°C之間，生長時間為Ι-lOmin，壓力在 100_500Torr 之間，V /III 比為 1000-20000。
[0011]所述的高溫P型GaN層7生長溫度在850_950°C之間，生長時間為5_30min，壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 300-5000。
[0012]所述的P型電子阻擋層8生長厚度為20-70nm的P型AlGaInN層，生長溫度在700-1100°C之間，壓力在 100-600Torr 之間，V /III比為 100-3000 ；
[0013]所述的多量子阱層9包括3-15個依次交疊的量子阱結構，所述量子阱結構由InxGal-xN(0<x<l)勢講層和GaN勢魚層依次生長而成,所述InxGal-xN勢講層的生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500Torr之間，V /III比為300-5000，厚度在2_5nm之間。
[0014]所述的N型GaN層10厚度為1.2-1.5 μ m，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600Torr之間，V /III比為100-3000 ;三明治緩衝層結構在最後需要應力弛豫形成裂紋。
[0015]所述Si襯底I氮化鎵基發光二極體LED及生長方法以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)和氨氣(NH3)分別作為Ga和N源，用矽烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
[0016]與已公開技術相比，本發明存在以下優點:本發明中三明治緩衝層結構以夾心層形成裂紋的形式來緩解結構材料與Si襯底之間的晶格失配和熱失配，同時在襯底剝離之後，在P型GaN表面形成光線的漫反射區從而有效提高氮化鎵基發光二極體的發光效率。PN-GaN結構倒置生長，有利於轉移襯底倒裝之後P型GaN電極的處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的LED外延結構示意圖。
[0018]圖2為倒裝結構示意圖。
[0019]圖中:1、Si襯底，2、高溫A1N，3、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格，4、第二高溫AlN，5、GaN非摻雜層，6、P型接觸層，7、高溫P型GaN層，8、P型電子阻擋層，9、多量子阱層，10、N 型 GaN 層，11、P 電極。

【具體實施方式】
[0020]如圖1-2所不,一種娃襯底氮化鎵基發光二極體LED結構,其外延結構依次包括Si襯底1、第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫AlN4、GaN非摻雜層5、P型接觸層6、高溫P型GaN層7、P型電子阻擋層8、多量子阱層9、N型GaN層10 ;所述第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫A1N4組成的三明治結構緩衝層；
[0021]—種娃襯底氮化鎵基發光二極體LED結構製備方法,其外延結構生成順序包括Si襯底1、第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫AlN4、GaN非摻雜層
5、P型接觸層6、高溫P型GaN層7、P型電子阻擋層8、多量子阱層9、N型GaN層10 ;所述第一高溫A1N2、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格3、第二高溫A1N4組成的三明治結構緩衝層。
[0022]第一高溫A1N2生長厚度為60-100nm，生長溫度為1050-1150 °C，生長壓力50-200torr。
[0023]三明治結構中的上下兩層生長條件一致。三明治夾心層的漸變組分AlGaN的Al組分有I漸變至0，或者AlN/GaN超晶格參數為2nm/2nm，20-30個周期。夾心層總厚度在Ium以內。
[0024]所述的GaN非摻雜層5厚度為1-1.2 μ m，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600Torr 之間，V /III比為 100-3000。
[0025]所述的P型接觸層6厚度為5-20nm，生長溫度在850_1050°C之間，生長時間為Ι-lOmin，壓力在 100_500Torr 之間，V /III 比為 1000-20000。
[0026]所述的高溫P型GaN層7生長溫度在850_950°C之間，生長時間為5_30min，壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 300-5000。
[0027]所述的P型電子阻擋層8生長厚度為20_70nm的P型AlGaInN層，生長溫度在700-1100°C之間，壓力在 100-600Torr 之間，V /III比為 100-3000 ；
[0028]所述的多量子阱層9包括3-15個依次交疊的量子阱結構，所述量子阱結構由InxGal-xN(0<x<l)勢講層和GaN勢魚層依次生長而成,所述InxGal-xN勢講層的生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500Torr之間，V / III比為300-5000，厚度在2_5nm之間。
[0029]所述的N型GaN層10厚度為1.2_1.5 μ m，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600Torr之間，V /III比為100-3000 ;三明治緩衝層結構在最後需要應力弛豫形成裂紋。
[0030]所述Si襯底I氮化鎵基發光二極體LED及生長方法以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)和氨氣(NH3)分別作為Ga和N源，用矽烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
[0031]倒置的生長結構在倒裝結構中有利於P電極11的處理。
[0032]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明的要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種Si基GaN的LED結構，其特徵在於:該其結構依次包括Si襯底(I)、第一高溫AlN(2)、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格(3)、第二高溫A1N(4)、GaN非摻雜層(5)、P型接觸層(6)、高溫P型GaN層(7)、P型電子阻擋層(8)、多量子阱層(9)、N型GaN層(10)；所述第一高溫A1N(2)、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格(3)、第二高溫A1N4組成的三明治結構緩衝層。
2.—種Si基GaN的LED製作方法，其特徵在於:其外延結構生成順序包括Si襯底(I)、第一高溫A1N(2)、組分漸變AlGaN或AlN/GaN超晶格(3)、第二高溫A1N(4)、GaN非摻雜層(5)、P型接觸層(6)、高溫P型GaN層(7)、P型電子阻擋層⑶、多量子阱層(9)、N型GaN層(10)； 第一高溫A1N(2)生長厚度為60-100nm，生長溫度為1050-1150 °C，生長壓力50-200torr ； 三明治結構中的上下兩層生長條件一致；三明治夾心層的漸變組分AlGaN的Al組分有I漸變至0，或者AlN/GaN超晶格參數為2nm/2nm，20-30個周期；夾心層總厚度在Ium以內；所述的GaN非摻雜層(5)厚度為1-1.2μπι，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600Torr 之間，V / III比為 100-3000 ； 所述的P型接觸層(6)厚度為5-20nm，生長溫度在850-1050°C之間，生長時間為Ι-lOmin，壓力在 100_500Torr 之間，V /III比為 1000-20000 ； 所述的高溫P型GaN層(7)生長溫度在850-950°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100-500Torr 之間，V / III比為 300-5000 ； 所述的P型電子阻擋層⑶生長厚度為20-70nm的P型AlGaInN層，生長溫度在700-1100°C之間，壓力在 100-600Torr 之間，V /III比為 100-3000 ； 所述的多量子阱層(9)包括3-15個依次交疊的量子阱結構，所述量子阱結構由InxGal-xN(0<x<l)勢講層和GaN勢魚層依次生長而成,所述InxGal-xN勢講層的生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500Torr之間，V /III比為300-5000，厚度在2_5nm之間；所述的N型GaN層(10)厚度為1.2-1.5 μ m,生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600Torr之間，V /III比為100-3000 ;三明治緩衝層結構在最後需要應力弛豫形成裂紋。
3.根據權利要求2所述的一種Si基GaN的LED製作方法，其特徵在於:所述Si襯底(I)氮化鎵基發光二極體LED及生長方法以高純氫氣或氮氣作為載氣，以三甲基鎵、三乙基鎵和氨氣分別作為Ga和N源，用矽烷和二茂鎂分別作為N、P型摻雜劑。
【文檔編號】H01L33/06GK104300047SQ201410535513
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】王智勇, 張楊, 楊翠柏, 楊光輝 申請人:北京工業大學