一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构。
【背景技术】
[0002]作为新一代绿色环保固态照明光源，GaN基LED已经广泛用于大规模生产中。相比于其它传统光源，高性能LED具有光电转换效率高、寿命长、损耗低、无污染等显著优势，普遍应用于通用照明、交通信号指示、显示屏和背光源等领域。目前，GaN基LED在生产中普遍采用PSS作为衬底材料，PSS的制备方法有两种，干法和湿法。干法PSS由于具有刻蚀速率可控、图形转换精度高、重复性好等特点被大规模生产广泛使用。干法PSS缺点是在制备过程中采用离子轰击将高能Al-O键打断，产生PSS表面损伤，形成非辐射复合中心，发光效率低，成本高。为克服干法PSS亮度低、成本高等缺点，湿法PSS引起高度重视。相对于干法PSS，湿法PSS成本低、无表面损伤、且具有理想的晶体生长表面，适合高亮度LED外延生长。但是，湿法腐蚀会形成多个晶面，GaN需要在特定晶面上生长，因此湿法PSS会造成外延生长困难。为进一步提高LED发光效率，充分发挥湿法PSS适合高亮度LED生长的优势，必须采用与湿法PSS配套的外延生长技术，进一步减小GaN材料的应力以提高GaN材料质量和LED发光效率。中国发明专利文献(公开号:CN 1588640A)《在特定的图形蓝宝石衬底上制备高质量GaN基材料的方法》公开了一种采用湿法槽状条纹图形蓝宝石衬底外延生长GaN的方法，该方法采用传统两步法外延生长技术，不利于GaN材料质量和LED发光效率的进一步提闻。
【发明内容】
[0003]为克服现有技术的不足，本发明提出一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，所述外延结构依次包括湿法PSS衬底、低温GaN成核层、低温梯度AlxGayIn1IyN成核层、非故意掺杂高温GaN层、η型GaN层、多量子阱层和P型GaN层。所述外延结构的特征在于，以湿法PSS为衬底材料，具有成本低、避免干法PSS刻蚀损伤等优点；在传统LED结构的基础上增加低温梯度AlxGayIn1^N成核层，进一步减小GaN材料应力，降低缺陷密度，提高GaN材料质量和LED发光效率。
【附图说明】
[0004]图1是本发明所述GaN基LED外延结构示意图。
【具体实施方式】
[0005]结合图1，本发明所述LED结构的具体实施步骤如下:
[0006]采用MOCVD技术，以湿法PSS作为衬底材料，在传统LED结构的基础上增加低温梯度AlxGayIn1HN成核层。
[0007]步骤(I):将MOCVD反应室反复冲抽后，将真空度逐渐降至40?lOOmbar。将反应室的压力从常压降至50mbar，再从50mbar充气升至常压，这样反复至少2次，使反应室达到清洁环境。将反应室压力调整至80mbar，为升温做准备。
[0008]步骤(2):将反应室在低压下逐渐升温至1090°C，进行H2处理5?30min以便气体脱附，升温速率为1.50C /min，气体流量为72L/min，反应室压力为80mbar。
[0009]步骤(3):将反应室温度降至550°C，在NH3条件下对湿法PSS进行氮化处理3min。反应室温度从1090°C降至550°C的降温速率为1.5?2.5°C /min，H2流量为52slm，反应室压力为600mbar。待见13流量达到20slm后，切换到反应室。
[0010]步骤⑷:待温度稳定后打开MO源，生长低温GaN或AlN成核层30nm。此时反应室压力为 600mbar，H2流量为 52slm，NH 3流量为 20slm，TMGa 流量为 250umol/min。
[0011]步骤(5):调整反应室温度至450?800°C，生长低温梯度AlxGayIn^yN成核层30?500nm。此时反应室压力为100?600mbar，H2流量为5081111，順3流量为22slm。通过精确控制TMGa、TMAl、TMIn的流量、生长时间、温度等参数，获得Al、Ga、In组分可控的低温梯度成核层。低温梯度AlxGayIn1^N成核层中x和y的变化范围为O?l，x和y可以随厚度线性、非线性变化，也可以不随厚度变化。
[0012]步骤(6):将反应室温度在H2条件下升温至1050?1100°C，打开TMGa源生长非故意惨杂GaN层1.8?4.5um及η型GaN层1.8?4.0um0此时反应室压力为200?600mbar,非故意掺杂GaN层及η型GaN层的生长速率为2.0?6.0um/h, H2流量为47slm，NH 3流量为25slm，η型GaN掺杂剂为SiH4,浓度为200ppm。
[0013]步骤(7):将反应室温度降至600?800°〇，在N2条件下生长InGaN/GaN多量子阱结构。InGaN/GaN多量子阱结构中In的浓度为1%?35%，由所生长LED的目标波长决定。此时反应室中没有H2，完全是N2气氛，生长压力为200?600mbar，N2流量为42slm，NH 3流量为30slm，InGaN/GaN多量子阱中垒层的厚度为2?17nm，采用TEGa/TMGa作为Ga源，流量为50?400umol/min，量子阱层的厚度为2?5nm。
[0014]步骤⑶:将反应室温度升高至800?1000°C，在N2、112或N 2和H 2混合气氛下生长P型GaN层50?300nm。控制此过程的升温速率为1.5°C /min,待温度稳定后打开TMGa源和P型掺杂剂二茂镁CP2Mg生长P型GaN层，生长压力为100?600mbar，气体流量为72slm。
[0015]步骤(9):最后将反应室温度降至400?800°C，在队条件下进行退火10?40min，完成LED外延生长。退火可以采用逐步降温的方式，也可以采用恒定温度与时间的方式，N2流量为60?lOOslm，关闭H2。
[0016]以上实例仅用于说明而非限制本发明技术方案。任何不脱离本发明范围的技术方案，均应涵盖在本发明专利保护范围之中。
【主权项】
1.一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，所述外延结构依次包括湿法PSS衬底、低温GaN成核层、低温梯度AlxGayIn1^N成核层、非故意掺杂高温GaN层、η型GaN层、多量子阱层和P型GaN层。所述外延结构的特征在于，以湿法PSS为衬底材料，在传统LED结构的基础上增加低温梯度AlxGayInnyN成核层。
2.根据权利要求1所述的一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于:低温梯度AlxGayIn1IyN成核层的生长温度介于低温GaN或AlN成核层与InGaN/GaN多量子阱结构生长温度之间。
3.根据权利要求1所述的一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于:低温梯度AlxGayIn1IyN成核层的生长压力为100?600mbar ；
4.根据权利要求1所述的一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于:低温梯度AlxGayIn1^N成核层的厚度为30?500nm。
5.根据权利要求1所述的一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于:低温梯度AlxGayIn1^N成核层中x和y的变化范围为O?I。
6.根据权利要求1所述的一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，其特征在于:低温梯度AlxGayIrvx_yN成核层中x和y随厚度可以线性变化，也可以非线性变化。
【专利摘要】本实用新型提出一种利用湿法PSS提高GaN基LED发光效率的外延结构，所述外延结构依次包括湿法PSS衬底、低温GaN成核层、低温梯度AlxGayIn1-x-yN成核层、非故意掺杂高温GaN层、n型GaN层、多量子阱层和p型GaN层。所述外延结构的特征在于，以湿法PSS为衬底材料，具有成本低、避免干法PSS刻蚀损伤等优点；在传统LED结构的基础上增加低温梯度AlxGayIn1-x-yN成核层，进一步减小GaN材料应力，降低缺陷密度，提高GaN材料质量和LED发光效率。
【IPC分类】H01L33-32, H01L33-00
【公开号】CN204596829
【申请号】CN201520207139
【发明人】徐丽萍
【申请人】上海世湖材料科技有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月8日