[发明专利]一种高发光效率氮化镓基LED外延片的制备方法

摘要

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。该方法制成的结构包括依次层叠的低温GaN成核层、镂空结构的GaN粗糙层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层及P型GaN层。其中生长镂空结构的GaN粗糙层包括先生长第一3D结构GaN层，再用H2气体在高温下对第一3D结构GaN层进行处理，然后生长第二3D结构GaN层，最后生长3D结构GaN层的快速合并层，使得岛与岛的合并过程中产生分布比较均匀的空洞。本发明采用H2处理3D结构GaN层，获得的GaN岛状结构在大小和空间分布上都更均匀，使得在3D结构GaN层的快速合并过程中产生的空洞也更均匀，这种镂空结构的GaN粗糙层能够减少全内反射，有利于提高GaN基LED的光提取效率。

主权项

一种氮化镓基LED外延片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：将蓝宝石衬底在反应腔氢气氛围中进行衬底表面清洁，反应腔内温度为1060‑1100℃，时间为5min‑10min；步骤二：将反应腔温度降低到520‑550℃，然后在清洁好的蓝宝石衬底上生长低温GaN成核层，成核层厚度为20‑40nm，生长压力为400‑700Torr；步骤三：将反应腔温度升高到950‑1000℃，并稳定2min，进行GaN成核层的高温退火，此过程中通入NH3气体以防止GaN成核层完全分解，然后通入金属有机源TMGa，在GaN成核层表面开始生长第一3D结构的GaN层，生长厚度为200‑300nm，生长压力为400‑700Torr，第一3D结构的GaN层中包括小的GaN岛和大的GaN岛；步骤四：将反应腔温度升高到1030‑1110℃，升温过程中通入NH3气体以防止第一3D结构的GaN层分解，升温结束后关闭NH3气体的通入，并只通入H2气体对第一3D结构的GaN层进行处理5‑10min，在此过程中H2气体会对3D结构的GaN层进行刻蚀，第一3D结构的GaN层中小的GaN岛会被刻蚀掉，大的GaN岛则保留下来；步骤五：将反应腔温度降低到950‑1000℃，通入NH3气体和金属有机源TMGa，在H2气体处理后的3D结构的GaN层上继续生长第二3D结构的GaN层500‑1000nm，生长压力为400‑700Torr，得到扩大的3D结构GaN层；步骤六：将反应腔温度升高到1050‑1200℃，在扩大的3D结构的GaN层上迅速生长未掺杂的GaN，使得3D岛状结构迅速愈合，并最终形成内部空洞比较均匀而表面平坦的镂空结构的GaN粗糙层，生长厚度为1~2um，生长压力为50‑300Torr；步骤七：生长非故意掺杂的GaN层，厚度为1~2um，生长温度为1050‑1200℃，生长压力为 50‑300Torr；步骤八：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；步骤九：生长 3‑6个周期的多量子阱有源层，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；步骤十：生长20‑50nm厚的P型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；步骤十一：生长Mg掺杂的GaN层，厚度为100‑300nm，生长温度为850‑1000℃，生长压力为100‑500Torr，空穴浓度为1017‑1018cm‑3；步骤十二：外延生长结束后，将反应腔的温度降至 650‑800℃， 在氮气氛围中进行退火处理5‑15min，然后降至室温，结束生长，得到外延片；上述的小的GaN岛和大的GaN岛没有明确的尺寸定义，只是在刻蚀过程中尺寸小的GaN岛容易被刻蚀掉，因此被刻蚀掉的GaN岛为小的GaN岛，保留下来的GaN岛为大GaN岛。