[发明专利]一种提高发光效率的GaN基LED外延片制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及GaN基LED外延片制备技术领域，尤其是指一种提高发光效率的GaN基LED外延片制备方法。

背景技术

GaN基LED具有体积小、寿命长、功耗低、亮度高及易集成化等优点，已进入通用照明领域，随着GaN基LED在照明领域的广泛应用，对其发光效率的要求越来越高。因此，提升GaN基LED的亮度成为亟需解决的关键问题。

现有技术中，提升GaN基LED的亮度主要在于内量子效率的提高和外量子效率的提高，包括外延结构的优化，晶体质量的提升，图形衬底的加工、粗化，芯片结构的优化等。

由于GaN材料折射率与空气折射率差异较大，发光区发出的光不容易出射，使得外量子效率低下。粗化技术和图形衬底常被用作GaN基LED外量子效率提升的手段。目前的粗化工艺和图形衬底大部分利用干法或者湿法腐蚀，需要经过特殊加工，工艺复杂，且成本高。

GaN基LED薄膜沿极性c方向生长，所述c平面的量子阱结构因存在强压电和自发极化而产生量子限制的史塔克效应(QCSE)。沿c方向的强内建电场引起电子和空穴在空间上的分离，降低了辐射复合率。

为了减缓或者消除所述极化效应的不利影响，可以选择半极性面或非极性面的GaN模板，利用横向外延技术来生长InGaN/GaN多量子阱结构。半极性面或非极性面GaN模板的制备和横向外延生长技术增加了工艺的复杂度。

综上所述，现有技术中，制备低成本、高发光效率的GaN基LED外延片仍然存在较多技术困难。

在MOCVD反应室中，GaN的外延生长也时刻伴随着GaN分解的过程，而这种分解过程，主要受温度、压强和气体的流速影响，为了尽量减缓GaN的分解，在整个外延生长过程中，均有NH₃通入反应室。我们利用GaN的这种分解现象，通过外延工艺条件的调整，可以获得粗糙度可控的GaN外延层表面。

通过利用GaN的分解现象，获得表面适当粗糙的N型掺杂层，经过工艺条件的优化，可同时提升LED的内量子效率和外量子效率，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高发光效率的GaN基LED外延片制备方法，以同时提高LED内量子效率与外量子效率，且制备方法简单，制备成本较低。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种提高发光效率的GaN基LED外延片制备方法，包括以下步骤：在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂层、第一N型掺杂层、第二N型掺杂层、InGaN/GaN 多量子阱有源层、电子阻挡层、P型掺杂层及接触层；生长完第一N型掺杂层之后，关闭有机源，减小或者停止NH₃通入反应室，在H₂ 或者N₂氛围下停顿生长10-200s，获得表面粗糙的第一N型掺杂层。

进一步，停顿生长时，反应室的温度为800-1250℃，压强为100-600mbar。

进一步，减小或者停止NH₃通入反应室的方式为阶梯式改变NH₃通入量、渐变式改变NH₃通入量、脉冲式关闭NH₃通入反应室中的一种或者组合。

进一步，第一N型掺杂层为GaN材料；第一N型掺杂层生长温度为950-1150℃，压强为100-600mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，生长厚度为1-4μm，N型掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10¹⁹。

进一步，第一N型掺杂层的表面粗糙度为5-50 nm，粗化的平均高度为20-200nm。表面粗糙程度的控制尤为重要，粗糙程度太小，对LED光效的提升不明显，粗糙程度太大，使后续的外延生长困难，外延片表面不平整，反而不利于光效的提升。

进一步，第二N型掺杂层为In_xGa_1-xN材料，其中x取0-0.2中的任何一个数值；第二N型掺杂层生长温度为800-1150℃，压强为100-600mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-10000，生长厚度为10-200nm，N型掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10¹⁹。

进一步，缓冲层和非故意掺杂层的材料均为GaN，生长压强为100-600mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000；其中，缓冲层的生长温度为500-700℃，厚度为10-50nm，非故意掺杂层的生长温度为950-1150℃，厚度为1-3μm。