专利名称：基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种GaN外延片结构及制备方法，尤其是一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法，属于外延片的技术领域。
背景技术：
用于GaN生长最普遍的衬底是蓝宝石衬底；其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应カ失配，导热性能不好。尤其是蓝宝石的导热性能不好(在100°c约为25W/ Cm · K))，在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是ー个非常重要的考虑因素。通常LED采用蓝宝石作为衬底，而LED的核心部件如芯片、荧光粉 等均对温度敏感，如散热不良，将导致LED芯片的结温升高，从而直接影响LED器件的性能，如出射光发生红移、发光效率降低、荧光粉加速老化以及芯片寿命缩短甚至失效等。而与导热性差的蓝宝石衬底相比，AlN陶瓷衬底却具有高的热导率(高于180W/m*K)，同时又具备适宜的热膨胀系数。而且AlN陶瓷衬底具有良好的电气绝缘性能和电磁相容性，机械性能优良，并耐腐蚀、物理化学性能稳定，晶体常数GaN晶体接近，可有效减少界面热应力。AlN衬底在GaN生长领域没有被应用的原因主要有两条1、A1N衬底的制作还处于实验室研发阶段，制作此类衬底成本高昂。直到2008年美国纽约的Crystal IS公司才提供了世界上第一片2英寸的AlN单晶衬底，不过表面仅有50%的单晶使用面积。目前国内仅有少量研究単位在实验室制备过AlN陶瓷衬底。2、使用AlN衬底生长GaN单晶材料在技术上实现起来比较困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法，其结构简单紧凑，提高外延片的导热性能及发热效率，机械性能优良，耐腐蚀，延长通过外延片制备LED器件的使用寿命，稳定可靠。按照本发明提供的技术方案，所述基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，包括AlN陶瓷衬底及生长于AlN陶瓷衬底上的缓冲层，所述缓冲层上生长有GaN LED结构层。所述AlN陶瓷衬底的厚度为50mnT300mm，AlN陶瓷衬底的晶相为〈001〉、〈111〉、〈110〉的单晶体或多晶体。所述AlN陶瓷衬底为多晶体吋，AlN陶瓷衬底与缓冲层间设置有晶相为〈001〉的单晶取向层或类单晶取向层。所述缓冲层的厚度为IOnnTlOOnm ;缓冲层为GaN层、AlN缓冲层、AlxGa1^xN层、InxGa1^N 层或 AlxInyGa1^N 层；其中，x 为 O. θΓθ. 99，y 为 O. θΓθ. 99。所述GaN LED结构层包括生长于缓冲层上的非掺杂GaN层、所述非掺杂GaN层上生长有N型氮化镓层，所述N型氮化镓层上生长有多量子阱层，所述多量子阱层上生长有P型铝镓氮层，所述P型铝镓氮层上生长有P型氮化镓层。所述非掺杂GaN层与N型氮化镓层间设置DBR层，所述DBR层生长于非掺杂GaN层上。所述P型氮化镓层上生长有粗化层。所述DBR层为AlmGai_mN、GaN的周期结构，所述周期是I 100，m范围是O. θΓθ. 99。一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构制备方法，所述GaN外延片结构制备方法包括如下步骤a、提供AlN陶瓷衬底，并将所述AlN陶瓷衬底在1050°C 1250°C的H2氛围下高温净化5 IO分钟； b、在H2氛围下将上述高温浄化后的AlN陶瓷衬底降温至500°C飞00°C，并利用MOCVDエ艺在AlN陶瓷衬底上缓冲层；C、在上述缓冲层上通过MOCVDエ艺生长GaN LED结构层。所述步骤c包括如下步骤Cl、在H2氛围下，将生长有缓冲层的AlN陶瓷衬底环境温度升至1000°C 1200°C，并在缓冲层上生长非掺杂GaN层；c2、在上述AlN陶瓷衬底上生长N型氮化镓层，所述N型氮化镓层覆盖于非掺杂GaN 层；c3、在上述AlN陶瓷衬底放置于N2氛围下并使温度为740°C ^860°C,以在N型氮化镓层上生长5 15个周期结构的量子阱层，以形成多量子阱层；c4、将上述陶瓷衬底再次放置于H2氛围下并使温度为450°C 1000°C，在多量子阱层上生长P型铝镓氮层；c5、在上述P型铝镓氮层上生长P型氮化镓层。本发明的优点采用AlN陶瓷衬底，并在AlN陶瓷衬底上设置缓冲层，通过生长缓冲层后在AlN陶瓷衬底上通过MOCVD常规エ艺制备得到GaN LED结构层，エ艺步骤简单方便，能大大提高GaN LED晶体质量，同时可以在GaNLED结构层内设置DBR层及粗化层，以提高通过GaN LED结构层得到LED工作时的出光效率，通过AlN陶瓷衬底能提高导热性能，结构简单紧凑，エ艺简单，机械性能优良，耐腐蚀，延长通过外延片制备LED器件的使用寿命，稳定可靠。
图I为本发明的结构示意图。图2为本发明在非掺杂GaN层与N型氮化镓层间设置DBR层的结构示意图。图3为在P型氮化镓层上生长粗化层的结构示意图。附图标记说明11_多量子阱层、12-DBR层、IOl-AlN陶瓷衬底、102-缓冲层、103-非掺杂GaN层、104-N型氮化镓层、105-P型铝镓氮层、106-P型氮化镓层及107-粗化层。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进ー步说明。
如图I所示为了能够使得LED结构能够具有较好的导热性能，延长相应LED的使用寿命，本发明包括GaN LED结构层，其中，GaN LED结构层位于AlN陶瓷衬底101，为了能够使得AlN陶瓷衬底101上能够生长GaN LED结构层，AlN陶瓷衬底101上生长有缓冲层102，所述GaN LED结构层生长于缓冲层102上，通过AlN陶瓷衬底101的导热性能，提高GaN LED结构层的导热性能，同时AlN陶瓷衬底101与GaN LED结构层间具有较低的界面热应カ；GaNLED结构层与现有LED结构中的结构层结构一致。所述AlN陶瓷衬底101的厚度为50mnT300mm，AlN陶瓷衬底101的晶相为〈001〉、〈111>、〈110>的单晶体或多晶体。当所述AlN陶瓷衬底101为多晶体吋，AlN陶瓷衬底101与缓冲层102间设置有单晶取向层或类单晶取向层。在AlN陶瓷衬底101上设置单晶取向层及类单晶取向层为常规的做法，单晶取向层或类单晶取向层的晶相为〈001〉，通过单晶取向层或类单晶取向层后能够使得AlN陶瓷衬底101为生长缓冲层102的基础。所述缓冲层102的厚度为IOnnTlOOnm ;缓冲层102为GaN层、AlN缓冲层、AlxGa1J层、InxGa1-,层或 AlxInyGamN 层；其中，x 为 O. OI O. 99，y 为 O. OI O. 99。 所述GaN LED结构层包括生长于缓冲层102上的非掺杂GaN层103、所述非掺杂GaN层103上生长有N型氮化镓层104，所述N型氮化镓层104上生长有多量子阱层11，所述多量子阱层11上生长有P型铝镓氮层105，所述P型铝镓氮层为P型AlzGai_zN，z范围是
O.θΓθ. 35，所述P型铝镓氮层105上生长有P型氮化镓层106。所述非掺杂GaN层103的厚度为 50(T2000nm。如图2所示为提高GaN LED结构层的出光效率，在非掺杂GaN层103与N型氮化镓层104间设有DBR (分布式布拉格反射镜，Distributed Bragg Reflector)层12,所述DBR层12是AlmGai_mN、GaN的周期结构，所述周期是I 100，AlmGai_mN中m代表Al的摩尔浓度，m范围是O. OfO. 99 ;所述周期结构为通过生长多个周期得到的结构。通过DBR层12能够使得GaN LED结构层在外部电压作用下发光吋，降低AlN陶瓷衬底101对光的吸收，提高出光效率。如图3所示为提高GaN LED结构层的出光效率，本发明实施例中还可以在P型氮化镓层106上生长粗化层107，所述粗化层107的表面可以是光滑的，反射率在16%以上，或粗化层107的表面可以是粗糙的，粗糙表面反射率在5%以下。所述粗化层107可以通过在6500C 850°C的温度下低温生长P型GaN获得的，也可以由Cp2Mg和NH3反应生成Mg和N的化合物获得粗糙的表面。如图I所示上述基于AlN陶瓷衬底101的GaN外延片结构可以通过下述エ艺制备，整个エ艺过程采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD, Metalorganic Chemical VaporDeposition)生长エ艺，衬底选用〈001〉晶相的AlN陶瓷衬底101，金属有机源和氮源分别是三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三こ基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)，n型掺杂剂为200ppm的H2携载的硅烷(SiH4),P型掺杂剂为ニ茂镁(Cp2Mg);所述MOCVD的エ艺条件均为本技术领域人员所熟知，具体为a、提供AlN陶瓷衬底101，并将所述AlN陶瓷衬底101在1050°C 1250°C的％氛围下高温净化5 10分钟；b、在H2氛围下将上述高温净化后的AlN陶瓷衬底101降温至500°C飞00°C，井利用MOCVDエ艺在AlN陶瓷衬底101上缓冲层102 ；
C、在上述缓冲层102上通过MOCVDエ艺生长GaN LED结构层。由于GaN LED结构层的制备过程与现有采用蓝宝石衬底生长获得GaN LED结构层的步骤及条件一致，本发明实施例通过下述步骤介绍相应的步骤，整个GaN LED结构层的详细制备过程为本技术领域人员所熟知；具体地包括Cl、在H2氛围下，将生长有缓冲层102的AlN陶瓷衬底101环境温度升至IOOO0C 1200°C，并在缓冲层102上生长非掺杂GaN层103 ；c2、在上述AlN陶瓷衬底101上生长N型氮化镓层104，所述N型氮化镓层104覆盖于非掺杂GaN层103 ；c3、在上述AlN陶瓷衬底101放置于N2氛围下并使温度为740°C 860°C，以在N型氮化镓层104上生长5 15个周期结构的量子阱层，以形成多量子阱层11 ；c4、将上述陶瓷衬底101再次放置于H2氛围下并使温度为450°C 1000°C，在多量 子阱层11上生长P型铝镓氮层105 ；c5、在上述P型铝镓氮层105上生长P型氮化镓层106。当通过步骤c获得GaN LED结构层后，如果需要制备相应的LED时，只需要通过常规LED电极制备エ艺在GaN LED结构层上制备出P电极与N电极即可。下面通过几个具体的实施例来说明本发明基于AlN陶瓷衬底101的GaN外延片结构制备过程。实施例I、采用MOCVDエ艺制备，步骤I、将〈001〉晶相的AlN陶瓷衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至10500C，稳定10分钟，对AlN陶瓷衬底101进行高温净化；步骤2、生长20nm厚度的低温GaN基层，以作为生长于AlN陶瓷衬底101的缓冲层102 ;步骤3、在缓冲层102上生长I μ m厚度的非掺杂氮化镓103 ;步骤4、生长I. 5 μ m厚度的N型氮化镓104 ;步骤5、在N2环境中生长得到10个周期的多量子阱层11，所述多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nmln，GaN阱层厚度为1.6nm;步骤6、生长30nm厚度的P型Ala 15Gaa85N层，得到P型铝镓氮层105 ;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓层106 ;步骤8、降温至室温，生长结束。实施例2、采用MOCVDエ艺制备，步骤I、将〈001〉晶相的AlN陶瓷衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050°C，稳定10分钟，对AlN陶瓷衬底101进行高温净化；步骤2、生长20nm厚度的低温Ala2Gaa8N基层，以形成缓冲层102 ;步骤3、生长I μ m厚度的非掺杂氮化镓103 ;步骤4、生长I. 5 μ m厚度的N型氮化镓104 ;步骤5、在N2环境中生长得到10个周期的量子阱层，得到多量子阱层11，所述多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nm，InGaN阱层厚度为I. 6nm ;步骤6、生长30nm厚度的ρ_Α1α 15Ga0.85N层，得到P型铝镓氮层105 ;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓106 ;步骤8、降温至室温，生长结束。实施例3、采用MOCVDエ艺制备，步骤I、将〈001〉晶相的AlN陶瓷衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050°C，稳定10分钟，对AlN陶瓷衬底101进行高温净化；步骤2、生长20nm厚度的低温GaN基层，以作为缓冲层102 ;步骤3、生长I μ m厚度的非掺杂氮化镓103 ;步骤4、生长25个周期结构的AlQ.2GaQ.8N/GaN的DBR层12，其中每个周期Ala2Gaa8N的厚度47nm，GaN的厚度43nm ;步骤5、生长I. 5 μ m厚度的N型氮化镓104 ;步骤6、在N2环境中生长10个周期的多量子阱层11，其中多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nm，N型GaN阱层厚度为I. 6nm ；步骤7、生长50nm厚度的P-Alai5Gaa85N层，得到P型铝镓氮层105 ;步骤8、生长300nm厚度的P型氮化镓106 ;步聚9、降温至室温，生长结束。实施例4、采用MOCVDエ艺制备步骤I、将〈001〉晶相的AlN陶瓷衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至10500C，稳定10分钟，对AlN陶瓷衬底101进行高温净化；步骤2、生长20nm厚度的低温GaN基层，以作为缓冲层102 ;步骤3、生长I μ m厚度的非掺杂氮化镓103 ;步骤4、生长I. 5μπι厚度的N型氮化镓104 ;步骤5、在N2环境中生长得到10个周期的多量子阱层11，其中多量子阱11内GaN垒层厚度为20nm，InGaN阱层的厚度为I. 6nm ;步骤6、生长50nm厚度的P-Alai5Gaa85N层，得到P型铝镓氮层105 ;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓106 ;步骤8、生长50nm的粗化的P型GaN结构，以得到粗化层107 ;步骤9、降温至室温，生长结束。实施例5、采用MOCVDエ艺制备，
步骤I、将多晶AlN陶瓷衬底101放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050°C，稳定10分钟，对AlN陶瓷衬底101进行高温净化；步骤2、生长IOnm厚度的〈001〉取相的类单晶取相层，并在类单晶取相层上生长20nm厚度的低温GaN基层，以作为缓冲层102 ;步骤3、生长I μ m厚度的非掺杂氮化镓103 ;步骤4、生长I. 5 μ m厚度的N型氮化镓104 ;步骤5、在N2环境中生长得到10个周期的多量子阱层11，其中多量子阱层11内GaN垒层厚度为20nm, InGaN阱层厚度为I. 6nm ;步骤6、生长30nm厚度的ρ_Α1α 15GaQ.85N层，得到P型铝镓氮层105 ;步骤7、生长150nm厚度的P型氮化镓106 ;步骤8、降温至室温，生长结束。如图I图3所不本发明米用AlN陶瓷衬底101,并在AlN陶瓷衬底101上设置缓冲层102，通过生长缓冲层102后在AlN陶瓷衬底101上通过MOCVD常规エ艺制备得到GaN LED结构层，エ艺步骤简单方便，能大大提高GaN LED晶体质量，同时可以在GaN LED结构层内设置DBR层12及粗化层107，以提高通过GaN LED结构层得到LED工作时的出光效率，通过AlN陶瓷衬底101能提高导热性能，结构简单紧凑，エ艺简单，机械性能优良，耐腐蚀，延长通过外延片制备LED器件的使用寿命，稳定可靠。
权利要求
1.一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是包括AlN陶瓷衬底(101)及生长于AlN陶瓷衬底(101)上的缓冲层(102)，所述缓冲层(102)上生长有GaN LED结构层。
2.根据权利要求I所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是所述AlN陶瓷衬底(101)的厚度为50mnT300mm，AlN陶瓷衬底(101)的晶相为〈001〉、〈111〉、〈110〉的单晶体或多晶体。
3.根据权利要求2所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是所述AlN陶瓷衬底(101)为多晶体时，AlN陶瓷衬底(101)与缓冲层(102)间设置有晶相为〈001〉的单晶取向层或类单晶取向层。
4.根据权利要求I所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是所述缓冲层(102)的厚度为 IOnnTlOOnm ;缓冲层(102)为 GaN 层、AlN 缓冲层、AlxGa1J 层、InxGa1J层或 AlxInyGamN 层；其中，x 为 O. θΓθ. 99，y 为 O. θΓθ. 99。
5.根据权利要求I所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是所述GaNLED结构层包括生长于缓冲层(102)上的非掺杂GaN层(103)、所述非掺杂GaN层(103)上生长有N型氮化镓层(104)，所述N型氮化镓层(104)上生长有多量子阱层(11 )，所述多量子阱层(11)上生长有P型铝镓氮层(105)，所述P型铝镓氮层(105)上生长有P型氮化镓层(106)。
6.根据权利要求5所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是所述非掺杂GaN层(103)与N型氮化镓层(104)间设置DBR层(12)，所述DBR层(12)生长于非掺杂GaN 层(103)上。
7.根据权利要求5所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是所述P型氮化镓层(106)上生长有粗化层(107)。
8.根据权利要求I所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是所述DBR层(12)为AlmGaJGaN的周期结构，所述周期是I 100，m范围是O. OI O. 99。
9.一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构制备方法，其特征是，所述GaN外延片结构制备方法包括如下步骤 (a)、提供AlN陶瓷衬底(101 )，并将所述AlN陶瓷衬底(101)在1050°C 1250°C的H2氛围下高温净化5 10分钟； 6)、在H2氛围下将上述高温净化后的AlN陶瓷衬底(101)降温至500°C飞00°C，并利用MOCVD工艺在AlN陶瓷衬底(101)上缓冲层(102)； (C)、在上述缓冲层(102)上通过MOCVD工艺生长GaN LED结构层。
10.根据权利要求9所述的基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，其特征是，所述步骤(C)包括如下步骤 (01)、在112氛围下，将生长有缓冲层(102)的AlN陶瓷衬底(101)环境温度升至IOOO0C 1200°C，并在缓冲层(102)上生长非掺杂GaN层(103)； (c2)、在上述AlN陶瓷衬底(101)上生长N型氮化镓层(104)，所述N型氮化镓层(104)覆盖于非掺杂GaN层(103)； (c3)、在上述AlN陶瓷衬底(101)放置于N2氛围下并使温度为740°C 860°C，以在N型氮化镓层(104)上生长5 15个周期结构的量子阱层，以形成多量子阱层(11); (c4)、将上述陶瓷衬底(101)再次放置于H2氛围下并使温度为450°C 1000°C，在多量子阱层(11)上生长P型铝镓氮层(105 ); (c5)、在上述P型铝镓氮层(105)上生长P型氮化镓层(106)。
全文摘要
本发明涉及一种基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构及制备方法，属于外延片的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述基于AlN陶瓷衬底的GaN外延片结构，包括AlN陶瓷衬底及生长于AlN陶瓷衬底上的缓冲层，所述缓冲层上生长有GaNLED结构层。本发明采用AlN陶瓷衬底，并在AlN陶瓷衬底上设置缓冲层，通过生长缓冲层后在AlN陶瓷衬底上通过MOCVD常规工艺制备得到GaNLED结构层，工艺步骤简单方便，能大大提高GaNLED晶体质量，同时可以在GaNLED结构层内设置DBR层及粗化层，以提高通过GaNLED结构层得到LED工作时的出光效率，通过AlN陶瓷衬底能提高导热性能，结构简单紧凑，工艺简单，机械性能优良，耐腐蚀，延长通过外延片制备LED器件的使用寿命，稳定可靠。
文档编号H01L33/00GK102637791SQ20121013679
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者王东盛, 郭文平, 钟玉煌 申请人:江苏新广联科技股份有限公司