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CN108110097A - GaN基LED器件及其制备方法 - Google Patents

GaN基LED器件及其制备方法 Download PDF

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CN108110097A CN201810034773.XA CN201810034773A CN108110097A CN 108110097 A CN108110097 A CN 108110097A CN 201810034773 A CN201810034773 A CN 201810034773A CN 108110097 A CN108110097 A CN 108110097A
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gan
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algan
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张韵
赵璐
艾玉杰
孙莉莉
杨帅
程哲
张连
贾利芳
王军喜
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Abstract

一种GaN基LED器件，包括：一衬底；一成核层，其制作在衬底上；一非掺杂GaN层，其制作在成核层上；一n型层，其制作在非掺杂GaN层上；一发光层，其制作在n型层上；一p型层，其制作在发光层上。本发明具有制备时间短，成本低廉的优点，可大规模制备，提高了外延材料质量和器件性能。

Description

GaN基LED器件及其制备方法
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基LED器件及其制备方法。
背景技术
GaN基LED具有节电、环保、体积小等诸多优点，目前已成为通用照明领域的主流。由于缺乏价廉的同质GaN衬底，GaN基LED通常采用蓝宝石、硅衬底等价格低廉的异质衬底，并且通常采用MOCVD技术进行GaN基LED外延结构的异质外延生产。为生长高质量的GaN基LED外延材料，需先在衬底材料上MOCVD低温生长GaN或AlN成核层，用于缓解异质衬底与GaN材料的晶格失配与热失配，然后在GaN或AlN成核层上采用MOCVD技术生长GaN基LED外延结构。近期，有相关报道证明[Improved output power of GaN-based ultraviolet light-emitting diodes with sputtered AlN nucleation layer，Journal ofCrystalGrowth，414，258-262，2015]，采用磁控溅射的AlN作为成核层，然后采用MOCVD技术制备GaN基LED可改善异质外延材料质量，提高LED发光效率，并大大提升LED的抗静电击穿(ESD)能力，因此，目前采用磁控溅射的AlN做GaN基LED的成核层获得广泛关注，并已投入批量化生产。
采用磁控溅射An成核层作为GaN基LED异质外延层面临的重要挑战是AlN成核层的晶体质量不够高，尤其是AlN成核层的X射线衍射XRD(10-12)晶面质量较差，从而降低后续MOCVD生长的GaN基外延材料质量，导致LED发光效率的降低。最近，通过研究我们发现，在氮气气氛下1200-2300℃高温热退火，磁控溅射的AlN薄膜可以发生重结晶，从而大大改善磁控溅射AlN材料的晶体质量，图1和图2分别为退火前后磁控溅射AlN薄膜的XRD(0002)和(10-12)面摇摆曲线，可以看出高温退火后AlN薄膜的(0002)和(10-12)面的半高宽均极具减小，表明AlN薄膜(0002)和(10-12)面晶体质量的大幅度提高。本发明拟针对磁控溅射AlN成核层晶体质量差的难题，采用氮气气氛下1200-2300℃高温退火改善AlN成核层的晶体质量，进一步改善后续MOCVD生长GaN基LED外延层的晶体质量，提升GaN基LED的发光效率。
发明内容
鉴于上述技术问题，本公开提供了一种GaN基LED器件及其制备方法，具有制备时间短，成本低廉的优点，可大规模制备，提高了外延材料质量和器件性能。
本发明提供一种GaN基LED器件，包括：
一衬底；
一成核层，其制作在衬底上；
一非掺杂GaN层，其制作在成核层上；
一n型层，其制作在非掺杂GaN层上；
一发光层，其制作在n型层上；
一p型层，其制作在发光层上。
本发明还提供一种GaN基LED器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上制备成核层；
步骤2：退火；
步骤3：在成核层上制备非掺杂层；
步骤4：在非掺杂层上制备n型层；
步骤5：在n型层上制备发光层；
步骤6：在发光层上制备p型层。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过采用高温退火技术提升磁控溅射AlN成核层的质量，提高GaN基LED外延材料质量，进而提高GaN基LED的发光效率。
2.本发明提出的GaN基LED的制备方法具有时间短、成本低廉等特点，适合于大规模产业化生产。
附图说明
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明结构的剖面示意图；
图2为本发明制备方法流程示意图；
图3为依据本发明实施例AlN成核层退火前后XRD(0002)和(10-12)面摇摆曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。
请参阅图1所示，本发明提供一种GaN基LED器件，包括：
一衬底10，所述衬底10的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、氧化镁、硅、玻璃或金属；
一成核层20，其制作在衬底10上，所述成核层20的材料为AlN，厚度为1nm-500μm；
一非掺杂层30，其制作在成核层20上；
一n型层40，其制作在非掺杂层30上；
一发光层50，其制作在n型层40上；
一p型层60，其制作在发光层50上。
其中所述非掺杂层30的材料为GaN、AlGaN或AlN，厚度为0-1μm；所述n型层40的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm；所述发光层50为单量子阱或多量子阱，材料为InGaN/GaN或AlGaN/AlGaN或GaN/AlGaN，周期为1-20，其中，阱的厚度为2-10nm，垒的厚度2-15nm；所述p型层60的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm。
请参阅图2，并结合参阅图1所示，本发明提供一种GaN基LED器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底10上制备成核层20，所述衬底10的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、氧化镁、硅、玻璃或金属；所述成核层20的材料为AlN，厚度为1nm-500μm；
步骤2：退火，所述退火的温度为1200-2300℃，退火时的保护气体为氮气、氩气、氦气或氨气，或以上各种气体的混合气体；
步骤3：在成核层20上制备非掺杂层30，所述非掺杂层30的材料为GaN、AlGaN或AlN，厚度为0-1μm；
步骤4：在非掺杂层30上制备n型层40，所述n型层40的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm；
步骤5：在n型层40上制备发光层50，所述发光层50为单量子阱或多量子阱，材料为InGaN/GaN或AlGaN/AlGaN或GaN/AlGaN，周期为1-20，其中，阱的厚度为2-10nm，垒的厚度2-15nm；
步骤6：在发光层50上制备p型层60，所述p型层60的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm。
更具体而言，在所述步骤1中，所述衬底10可以为常规平面衬底，也可以为图形衬底。所述成核层20采用磁控溅射技术制备，其界于所述衬底与非掺杂层之间，用于缓解异质衬底与非掺杂层间的晶格失配与热失配，以促进后续非掺杂层的生长。此外，所述衬底10和所述AlN成核层20之间还可以有提高晶格和热匹配度的其他缓冲层结构。
在所述步骤2中，退火用于提升AlN成核层的晶体质量。如图3所示，在高温热退火处理之后，AlN成核层晶体质量得到了较大提高。
在所述步骤3中，以非掺杂GaN层为例，所述非掺杂层30采用MOCVD工艺生长，可以以氢气或氮气作为载气，TMGa和NH3分别作为Ga源和N源，生长温度为600-1100℃，厚度0-1μm。
在所述步骤4中，以n型GaN层为例，所述n型层40采用MOCVD工艺生长，可以以氢气或氮气作为载气，TMGa和NH3分别作为Ga源和N源，硅烷为n型掺杂剂，生长温度为600-1100℃，厚度0-1μm。
在所述步骤5中，以InGaN/GaN量子阱为例，所述发光层50采用MOCVD工艺生长，可以以氢气或氮气作为载气，TMAl、TMIn和NH3分别作为Al源、In源和N源，生长温度400-1000℃，发光层可以为InGaN/GaN为多量子阱或者单量子阱，周期为1-20，其中，阱的厚度为2-10nm，垒的厚度2-15nm。
在所述步骤6中，以p型GaN层为例，所述p型层60采用MOCVD工艺生长，以氢气或氮气作为载气，TMGa和NH3分别作为Ga源和N源，二茂镁为p型掺杂剂，温度500-1100℃，厚度0-1μm。所述p型层可以选择为发光层提供空穴的p型材料，亦可选择包含电子阻挡层和p型氮化镓接触层以及p型超晶格层等中的至少一种材料。
除GaN基LED以外，本公开制备方法中的AIN成核层及其退火制备方法还可应用于其他需要AlN成核层的各种GaN基、AIN基光电或电子器件器件，例如激光二极管(LD)、半导体光电探测器(PD)、声表面波和体声波器件、以及高频、高温、大功率电子器件等。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开半导体器件及其制备方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种GaN基LED器件，包括：
一衬底；
一成核层，其制作在衬底上；
一非掺杂GaN层，其制作在成核层上；
一n型层，其制作在非掺杂GaN层上；
一发光层，其制作在n型层上；
一p型层，其制作在发光层上。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED器件，其中所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、氧化镁、硅、玻璃或金属。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED器件，其中所述非掺杂GaN层的材料为GaN、AlGaN或AlN，厚度为0-1μm；所述n型层的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm；所述发光层为单量子阱或多量子阱，材料为InGaN/GaN或AIGaN/AlGaN或GaN/AlGaN，周期为1-20，其中，阱的厚度为2-10nm，垒的厚度2-15nm；所述p型层的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED器件，其中所述所述成核层的材料为AlN，厚度为1nm-500μm。
5.一种GaN基LED器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上制备成核层；
步骤2：退火；
步骤3：在成核层上制备非掺杂层；
步骤4：在非掺杂层上制备n型层；
步骤5：在n型层上制备发光层；
步骤6：在发光层上制备p型层。
6.根据权利要求5所述的GaN基LED器件的制备方法，其中所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、氧化镁、硅、玻璃或金属。
7.根据权利要求5所述的GaN基LED器件的制备方法，其中退火的温度为1200-2300℃，退火时的保护气体为氮气、氩气、氦气或氨气，或以上各种气体的混合气体。
8.根据权利要求5所述的GaN基LED器件的制备方法，其中所述成核层的材料为AlN，厚度为1nm-500μm。
9.根据权利要求5所述的GaN基LED器件的制备方法，其中所述非掺杂GaN层的材料为GaN、AlGaN或AlN，厚度为0-1μm；所述n型层的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm；所述发光层为单量子阱或多量子阱，材料为InGaN/GaN或AlGaN/AlGaN或GaN/AlGaN，周期为1-20，其中，阱的厚度为2-10nm，垒的厚度2-15nm；所述p型层的材料为GaN或AlGaN，厚度为0-1μm。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109638126A (zh) * 2018-10-31 2019-04-16 华灿光电（浙江）有限公司 一种氮化铝模板、深紫外发光二极管外延片及其制备方法
CN109768127A (zh) * 2019-01-23 2019-05-17 华灿光电（浙江）有限公司 GaN基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管
CN111710595A (zh) * 2020-06-28 2020-09-25 中国科学院半导体研究所 高质量AlN模板的应力与晶圆翘曲控制方法
CN111816739A (zh) * 2020-08-17 2020-10-23 西安电子科技大学芜湖研究院 基于氧化镓衬底的高效紫外发光二极管及制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1697134A (zh) * 2004-05-14 2005-11-16 中国科学院物理研究所 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法
CN1900386A (zh) * 2006-07-05 2007-01-24 武汉华灿光电有限公司 一种在蓝宝石衬底材料上外延生长AlXGa1－XN单晶薄膜的方法
CN102867896A (zh) * 2012-09-26 2013-01-09 湘能华磊光电股份有限公司 Led外延结构及其制备方法
CN104112799A (zh) * 2014-06-26 2014-10-22 山西飞虹微纳米光电科技有限公司 一种晶格匹配的led外延结构及其制备方法
CN104319234A (zh) * 2014-10-14 2015-01-28 北京大学 一种高晶体质量AlN外延层的生长方法
CN104332545A (zh) * 2014-09-02 2015-02-04 中国科学院半导体研究所 低电阻率p型铝镓氮材料及其制备方法
CN105161592A (zh) * 2015-07-29 2015-12-16 山东浪潮华光光电子股份有限公司 一种具有N型AlInGaN接触层的LED及其制备方法
CN105449522A (zh) * 2015-12-28 2016-03-30 中国科学院半导体研究所 一种绿光激光器外延片及其制备方法
CN207765474U (zh) * 2018-01-15 2018-08-24 中国科学院半导体研究所 GaN基LED器件

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1697134A (zh) * 2004-05-14 2005-11-16 中国科学院物理研究所 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法
CN1900386A (zh) * 2006-07-05 2007-01-24 武汉华灿光电有限公司 一种在蓝宝石衬底材料上外延生长AlXGa1－XN单晶薄膜的方法
CN102867896A (zh) * 2012-09-26 2013-01-09 湘能华磊光电股份有限公司 Led外延结构及其制备方法
CN104112799A (zh) * 2014-06-26 2014-10-22 山西飞虹微纳米光电科技有限公司 一种晶格匹配的led外延结构及其制备方法
CN104332545A (zh) * 2014-09-02 2015-02-04 中国科学院半导体研究所 低电阻率p型铝镓氮材料及其制备方法
CN104319234A (zh) * 2014-10-14 2015-01-28 北京大学 一种高晶体质量AlN外延层的生长方法
CN105161592A (zh) * 2015-07-29 2015-12-16 山东浪潮华光光电子股份有限公司 一种具有N型AlInGaN接触层的LED及其制备方法
CN105449522A (zh) * 2015-12-28 2016-03-30 中国科学院半导体研究所 一种绿光激光器外延片及其制备方法
CN207765474U (zh) * 2018-01-15 2018-08-24 中国科学院半导体研究所 GaN基LED器件

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109638126A (zh) * 2018-10-31 2019-04-16 华灿光电（浙江）有限公司 一种氮化铝模板、深紫外发光二极管外延片及其制备方法
CN109768127A (zh) * 2019-01-23 2019-05-17 华灿光电（浙江）有限公司 GaN基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管
CN111710595A (zh) * 2020-06-28 2020-09-25 中国科学院半导体研究所 高质量AlN模板的应力与晶圆翘曲控制方法
CN111816739A (zh) * 2020-08-17 2020-10-23 西安电子科技大学芜湖研究院 基于氧化镓衬底的高效紫外发光二极管及制备方法

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