一种高发光效率氮化镓基LED外延片的制备方法

摘要

本发明公开了一种高发光效率氮化镓基LED外延片的制备方法，该材料结构包括依次层叠的低温GaN成核层、3D结构GaN粗糙层、金属反射层、非故意掺杂的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3D结构GaN粗糙层包括第一3D结构GaN层，然后用H₂气体对第一3D结构GaN层进行处理，最后生长第二3D结构GaN层。其次在3D结构GaN层上再生长一层金属反射层，反射层的光学厚度要满足发生反射光干涉极大的条件。本发明采用H₂处理的3D结构GaN层能够获得尺寸更大、更均匀的岛状结构，而金属反射层能提高光的反射率，降低透过金属反射层进入3D结构GaN层中的光子数目，减少全内反射，能够更有效的提高GaN基LED的光提取效率。

主权项

一种高发光效率氮化镓基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清洁衬底表面，温度为1060‑1100℃，时间为5min‑10min；步骤二：将反应腔温度降低到520‑550℃，然后在处理好的蓝宝石衬底上生长低温GaN成核层，成核层厚度约为20‑40nm；步骤三：对低温GaN成核层进行退火，将反应腔温度升高到950‑1000℃，并稳定2min，此过程中通入NH₃气体，经过退火处理的GaN成核层由非晶层转变为GaN 3D岛状结构；步骤四：通入金属有机源TMGa和NH3气体在GaN 3D岛状结构上生长GaN 3D层，生长厚度为100‑300nm，得到第一3D结构的GaN层，第一3D结构的GaN层中包括小的GaN岛和大的GaN岛；步骤五：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，然后关闭NH₃气体，只通入H₂气体对生长好的第一3D结构的GaN层进行处理5‑10min，在此过程中H₂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；步骤六：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处理后的3D结构GaN上继续生长第二3D结构的GaN层500‑1000nm，在此过程中第二3D结构的GaN层会优先生长在GaN层表面具有GaN岛的位置，其他位置生长非常缓慢，GaN层的3D结构会被进一步放大，GaN岛的大小和分布都会更均匀，得到粗糙化的3D结构GaN层；步骤七：在粗糙化的3D结构GaN上生长一层金属层，该金属层可为Ga层或Al层，生长温度为800‑1050℃，生长厚度为100‑700nm；步骤八：生长非故意掺杂的GaN层，厚度为2‑4um，生长温度为1050‑1200℃，生长压力为 50‑300Torr；步骤九：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 50Torr‑300Torr；步骤十：生长 3‑6个周期的多量子阱结构，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℃， 整个生长过程中压力为200‑500Torr；步骤十一：生长20‑50nm厚的p‑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；步骤十二：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；步骤十三：外延生长结束后，将反应室的温度降至 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。