[发明专利]一种提高GaN基LED发光亮度的外延方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化镓基LED制备技术领域，具体为一种提高GaN基LED发光亮度的外延方法。

背景技术

半导体发光二极管（light-emission diodes,LED）因其具有体积小、能耗低、寿命长、环保耐用等优点，已在指示灯、显示屏、背光源等领域得到很好的应用。目前蓝、绿光LED主要使用GaN作为基体材料，因GaN为直接带隙的宽禁带半导体材料，其三元合金In_xGa_1-xN(x=0～1)的能带带隙可以从0.7eV（InN）到3.4eV（GaN）连续可调，发光波长覆盖可见光和近紫外光的整个区域。利用蓝光LED芯片配合黄色荧光粉可以封装出白光LED器件，随着人们节能和环保意识的增强，白光LED在照明领域的应用日趋广泛，但目前LED照明器具的相较其他照明灯具，成本较高，为了降低LED生产成本，人们希望不断提高LED发光亮度来减小LED芯片尺寸，以增加单片产出量为降成本的主要方法。

由于GaN衬底的缺乏，目前GaN外延层主要利用蓝宝石（Al₂O₃）作为外延的衬底材料。但因GaN与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配（>11%）和较大的热膨胀系数差异，导致在GaN外延层内存在高密度（～10⁸-10¹⁰cm^-2）的线性穿透位错（threading dislocations,TDs）。GaN基LED主要利用InGaN/GaN量子阱外延层发光，InGaN量子阱和GaN量子垒因晶格失配会产生应力。因量子阱InGaN和量子垒GaN交替生长，这样随着阱垒周期的不断增多，材料中的应力也不断的积聚。随着应力的累积，在GaN外延层存在的部分线性位错便会在量子阱的生长过程中被发展放大，形成V型缺陷；并且这些V型缺陷尺寸会随着量子阱垒周期的继续增加而被不断的放大，同时V型缺陷的密度也会不断增大。尽管InGaN/GaN的异质结构中存在巨大的缺陷密度，但是这种异质结构LED仍然表现了高的内量子效率；有研究认为[1.Carsten Netzel,atl,PHYSICAL REVIEW B76,155322;2.A.Hangleiter,atl,PHYSICAL REVIEW LETTERS95,127402]，正是由于存在的大量V型缺陷，促使空穴载流子可以通过V型缺陷的侧壁有效的进入发光量子阱区，提高了空穴和电子在发光量子阱内的辐射符合几率，而减小了载流子在缺陷中心形成非辐射符合几率，获得较高的内量子效率；但是对V型缺陷的深度和密度必须进行有效控制，如果V型缺陷深度过深或密度过大（>10¹⁰cm^-2），会导致空穴载流子通过V型缺陷侧壁进入发光量子阱进行辐射发光的效率降低，而通过V型缺陷顶端及连接的线性位错形成的漏电通道，直接与电子形成非辐射符合，降低器件内量子效率。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种提高GaN基LED发光亮度的外延方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种提高LED发光亮度的方法，其LED外延片结构从下向上的顺序依次为:蓝宝石衬底、低温成核层、高温GaN缓冲层、高温非掺杂GaN缓冲层、复合n型GaN层、前浅量子阱结构SW、后浅量子阱结构SW、多量子阱发光层结构MQW、低温p型GaN层、p型AlGaN层、高温p型GaN层、p型GaN接触层,其制备方法包括以下具体步骤：

(1)将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面，温度为1050-1150℃，然后进行氮化处理；

(2)将温度下降到500-620℃，生长25-40nm厚的低温GaN成核层，生长压力为400-650Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为500-3000；

(3)低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000-1100℃，退火时间为5-10min；退火之后，将温度调节至900-1050℃，外延生长厚度为0.2-1um的高温GaN缓冲层，生长压力为400-650Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为500-3000；

(4)高温GaN缓冲层生长结束后，生长一层非掺杂的u-GaN层，生长厚度为1-3um，生长过程温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300-3000；