[发明专利]一种高发光效率氮化镓基LED外延片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种高发光效率氮化镓基LED外延片的制备方法。

背景技术

氮化镓基发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。因此，大功率白光LED被认为是21世纪的照明光源。

为了获得高亮度的LED，关键要提高器件的内量子效率和外量子效率。目前蓝光GaN 基的LED内量子效率可达80％以上， 但大功率LED芯片的外量子效率通常只有40％左右。制约外量子效率提高的主要因素是芯片的光提取效率较低，这是因为 GaN 材料的折射率(n＝2.5)与空气的折射率(n＝1)和蓝宝石衬底的折射率(n＝1.75)相差较大，导致空气与GaN界面以及蓝宝石与GaN界面发生全反射的临界角分别只有23.6°和44.4°，有源区产生的光只有少数能够逃逸出体材料。为了提高芯片的光提取效率，目前国内外采用的主要技术方案有生长分布布喇格反射层 (DBR) 结构、图形化衬底（PSS）技术、表面粗化技术和光子晶体技术等。PSS对图形的规则度要求很高，加之蓝宝石衬底比较坚硬，无论是干法刻蚀还是湿法刻蚀工艺，在整片图形的一致性和均匀性上都有一定的难度，且制作过程对设备和工艺要求很高，导致成本偏高。DBR和光子晶体制作工艺相对复杂、成本较高，而表面粗化技术采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺，也存在很大挑战。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种高发光效率氮化镓基LED外延片的制备方法，且该方法简单，制备成本较低。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种高发光效率氮化镓基LED外延片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将蓝宝石衬底在反应腔氢气氛围中进行高温清洁衬底表面，温度为1060-1100℃，时间为5min-10min；

步骤二：将反应腔温度降低到520-550℃，然后在处理好的蓝宝石衬底上生长低温GaN成核层，成核层厚度为20-40nm；

步骤三：对低温GaN成核层进行退火，将反应腔温度升高到950-1050℃，并稳定2min，此过程中通入NH₃气体，经过退火处理的GaN成核层由非晶层转变为GaN 3D岛状结构；

步骤四：通入金属有机源TMGa和NH₃气体，在GaN 3D岛状结构上生长非故意掺杂的GaN 层，生长厚度为2~4um；

步骤五：将反应腔温度控制在1050-1100℃，关闭NH₃气体和金属有机源TMGa，通入N₂气体和H₂气体，在反应腔压力为100-300Torr时用H₂刻蚀15-30min，再在压力为500-700Torr时用H₂刻蚀10-20min，刻蚀过程中H₂流量为0.5-1.5slm，N₂流量为1.5-3.5slm，得到镂空GaN结构；

步骤六：通入NH₃气体和金属有机源TMGa，关闭H₂气体，在H₂处理后的镂空GaN结构上生长平坦化GaN层，厚度为1~2um，生长温度为1050-1200℃，生长压力为 50-300Torr；

步骤七：生长Si掺杂的GaN层，该层载流子浓度为 10¹⁸-10¹⁹cm^-3，厚度为1-3um，生长温度为1050-1200℃，生长压力为 50-300Torr；

步骤八：生长 3-6个周期的多量子阱结构，其中垒层为GaN， 阱层为 InGaN，In 组分以质量分数计为 10-30％，阱层厚度为 2-5nm，生长温度为 700-800℃，垒层厚度为 8-13nm，生长温度为 800-950℃，生长过程中压力为200-500Torr；

步骤九：生长20-50nm厚的p-AlGaN电子阻挡层，该层中Al组分以质量分数计为 10-20％，空穴浓度为 10¹⁷-10¹⁸cm^-3，生长温度为 850℃-1000℃，压力为50-300Torr；