[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清洁衬底表面，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3D结构的GaN进行处理5-10min，在此过程中H₂气体会对第一3D结构的GaN层进行刻蚀，小的GaN岛会被刻蚀掉，大的GaN岛则保留下来，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；

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；