在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，在氮化鎵單晶襯底上沉積厚度為98?102nm的SiO2或SiN作為掩膜圖形層，再把該掩膜圖形層制備為具有周期性結構的圓型孔狀掩膜圖形層，該圓型孔狀掩膜圖形層的圓型孔直徑為0.8?1.0微米，該圓型孔狀掩膜圖形層的圖形周期為1.4?1.6微米，再將氮化鎵單晶襯底清洗干凈后放入MOCVD反應室進行二次生長，通過采用降低MOCVD反應室壓力，提高V/III比的方式，控制氮化鎵外延層的生長模式，外延層會在接續(xù)垂直生長的同時在掩膜圖形層上側向外延生長，制備出高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管。本發(fā)明制備的氮化鎵基發(fā)光二極管散熱性好。
【專利說明】
在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電子技術領域，一種在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備高亮度氮化鎵發(fā)光二極管的方法。
【背景技術】
[0002]LED的散熱現在越來越為人們所重視，這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結溫有關，散熱不好結溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10°C壽命會延長2倍。根據光衰和結溫的關系，結溫假如能夠控制在65° C，那么其光衰至70%的壽命可以高達10萬小時!但是，限于實際的LED燈的散熱性能，LED燈具的壽命變成了一個影響其性能的主要問題。而且，結溫不但影響長時間壽命，也還直接影響短時間的發(fā)光效率。比如結溫為25度時的發(fā)光量為100%，那么結溫上升至60度時，其發(fā)光量就只有90%;結溫為100度時發(fā)光量就下降到80%;結溫升至140度時發(fā)光量就只有70%。由此可見，改善LED燈的散熱，控制結溫是十分重要的事情。除此以外，LED的發(fā)熱還會使得其光譜移動，色溫升高，正向電流增大(恒壓供電時)，反向電流也增大，熱應力增高，熒光粉環(huán)氧樹脂老化加速等等種種問題。因此，LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個問題。
[0003]LED芯片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。由于LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導出去，否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們在LED的芯片結構上進行了很多改進。為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進就是采用導熱性更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si(硅)作為襯底。后來就改為藍寶石作襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不太好。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種散熱性能好的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法。
[0005 ]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采取以下方案:
一種在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，包括以下步驟:
步驟I，在氮化鎵單晶襯底上沉積厚度為98-102nm的S12或SiN作為掩膜圖形層，再把該掩膜圖形層制備為具有周期性結構的圓型孔狀掩膜圖形層，該圓型孔狀掩膜圖形層的圓型孔直徑為0.8-1.0微米，該圓型孔狀掩膜圖形層的圖形周期為1.4-1.6微米；
步驟2，把制備有圓型孔狀掩膜圖形層的氮化鎵單晶襯底清洗干凈后放入MOCVD反應室進行二次生長，在H2氣氛、950-1050°C下，MOCVD反應室的壓力為200-300torr、V/III摩爾比為1000-1300，三維生長厚度為150-200納米的η型GaN三維生長層；
步驟3，在Η2氣氛、1050-1100°C下，MOCVD反應室的壓力為60-100torr、V/III摩爾比為1300-3000，二維生長厚度為1-3微米的η型GaN 二維合并層；
步驟4，在Ν2氣氛、820-850°C下，V/III摩爾比為5000-10000，M0CVD反應室的壓力為300torr，生長厚度為150nm的η型GaN低溫應力釋放層； 步驟5，在N2氣氛、750-850°C下，V/III摩爾比為5000-10000，M0CVD反應室的壓力為300torr，生長5-10周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)，其中，0〈x彡0.3，InxGapxN阱層的厚度范圍在2-4nm，GaN皇層的厚度為8-20nm;
步驟6，在N2氣氛、850-950°C下，V/III摩爾比為5000-10000、M0CVD反應室的壓力為100-300torr，生長5-10個周期的P型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層，其中，Al組分OSy1彡0.2，P型AlylGa1-ylN的厚度為2-5nm，GaN層厚度為2-5nm;
步驟7，在H2氣氛、950-1050 °C下，V/III摩爾比為2000-5000、MOCVD反應室的壓力為10torr,生長 100_300nm 的高溫 p 型 GaN 層；
步驟8，在H2氣氛、650-750°C下，V/III摩爾比為5000_10000、M0CVD反應室的壓力為300torr,生長2_4nm的p型InGaN接觸層；
步驟9，將MOCVD反應室的溫度降至20-30 V，結束生長，完成氮化鎵發(fā)光二極管外延層的生長，制備得到高亮度的GaN基發(fā)光二極管外延層。
[0006]所述步驟I中采用化學氣相沉積方式制備掩膜圖形層。
[0007]所述步驟2中采用1-3微米/小時的生長速率進行三維生長η型GaN三維生長層，該η型GaN三維生長層的Si摻雜濃度為1018-1019cm—3。
[0008]所述步驟3中采用恒定生長速率進行生長η型GaN 二維合并層，該η型GaN 二維合并層的Si摻雜濃度為118-1O19Cnf3。
[0009]所述步驟6中P型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層的Mg摻雜濃度相應的空穴濃度為2X1017cm—3，其中Al組分隨著超晶格電子阻擋層中超晶格周期數的增加而減少。
[0010]所述Al組分隨著超晶格電子阻擋層中超晶格周期數的增加而減少時呈階梯式減少。
[0011]所述步驟7中的高溫P型GaN層的Mg摻雜濃度為1017-1018cnf3。
[0012]所述步驟8中的P型InGaN接觸層的Mg摻雜濃度大于1018cnf3。
[0013]所述步驟9中將MOCVD反應室的溫度先降至700-750°C，然后采用純氮氣氣氛進行退火處理5-20分鐘，再降至20-30 °C。
[0014]本發(fā)明通過優(yōu)化氮化鎵單晶襯底生長初期的載氣、生長溫度以及生長速率等參數，控制氮化鎵外延層的生長模式，制備出高晶體質量氮化鎵外延層，在此基礎上制備出高亮度的GaN基LED外延層，具有良好的散熱性能。
【附圖說明】
[0015]附圖1為本發(fā)明方法制備得到的氮化鎵發(fā)光二極管的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]為了便于本領域技術人員的理解，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
[0017]本發(fā)明利用緊耦合垂直反應室MOCVD生長系統(tǒng)，在金屬有機化合物氣相外延反應室MOCVD反應室內進行二次生長，完成氮化鎵發(fā)光二極管外延層的生長，如附圖1所示，該氮化鎵發(fā)光二極管外延層的結構由下往上依次包括制備有掩膜圖形層的GaN單晶襯底101、n型GaN三維生長層102、n型GaN二維合并層103、η型GaN層低溫應力釋放層104、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)105、p型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層106、高溫p型GaN層107及p型InGaN接觸層108。在氮化鎵發(fā)光二極管外延層的生長過程中，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，以硅烷(SiH4)作為η型摻雜劑，二茂鎂(Cp2Mg)作為P型摻雜劑。
[0018]下面以實施例對本發(fā)明的具體制備方法進行詳細闡述。
[0019]實施例1
一種在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，包括以下步驟:
步驟I，采用化學氣相沉積方式(PECVD)在氮化鎵單晶襯底上沉積厚度為10nm的S12或SiN作為掩膜圖形層，再把該掩膜圖形層制備為具有周期性結構的圓型孔狀掩膜圖形層，該圓型孔狀掩膜圖形層的圓型孔直徑為0.9微米，該圓型孔狀掩膜圖形層的圖形周期為1.5微米。
[0020]步驟2，把制備有圓型孔狀掩膜圖形層的氮化鎵單晶襯底101清洗干凈后放入MOCVD反應室進行二次生長，在H2氣氛、1000°C下，MOCVD反應室的壓力為250torr、V/III摩爾比為1200，采用I微米/小時的生長速率三維生長厚度為175納米的η型GaN三維生長層102，其中該η型GaN三維生長層的Si摻雜濃度為1018cnf3。
[0021]步驟3，在H2氣氛、1075°C下，MOCVD反應室的壓力為80torr、V/III摩爾比為2150，采用恒定生長速率二維生長厚度為2微米的η型GaN 二維合并層103;其中該η型GaN 二維合并層的Si摻雜濃度為118Cnf3。
[0022]步驟4，在N2氣氛、830°C下，V/III摩爾比為8000，]?000)反應室的壓力為30(^0^生長厚度為150nm的η型GaN低溫應力釋放層104。
[0023]步驟5，在N2氣氛、800°C下，V/III摩爾比為8000，]?000)反應室的壓力為30(^0^生長8周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)105，其中，x為0.1，InxGa1-XN阱層的厚度范圍為2nm，GaN皇層的厚度為8nm。
[0024]步驟6，在N2氣氛、900°C下，V/III摩爾比為8000、M0CVD反應室的壓力為200torr,生長8個周期的P型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層106，其中，Al組分71為0.1，該Al組分隨著超晶格電子阻擋層中超晶格周期數的增加而階梯式減少，P型AlylGa1-yl_^厚度為2nm，GaN層厚度為2nm，p型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層的Mg摻雜濃度相應的空穴濃度為2XlO17Cnf30
[0025]步驟7，在H2氣氛、1000°C下，V/III摩爾比為3500、M0CVD反應室的壓力為10torr,生長200nm的高溫P型GaN層107，該高溫P型GaN層的Mg摻雜濃度為117Cnf3。
[0026]步驟8，在H2氣氛、700°C下，V/III摩爾比為8000、M0CVD反應室的壓力為300torr，生長2nm的P型InGaN接觸層108，該P型InGaN接觸層的Mg摻雜濃度大于1018cnf3。
[0027]步驟9，將MOCVD反應室的溫度先降至700°C，然后采用純氮氣氣氛進行退火處理5分鐘，再降至20°C，結束生長，完成氮化鎵發(fā)光二極管外延層的生長，制備得到高亮度的GaN基發(fā)光二極管外延層。
[0028]實施例二
步驟I，采用化學氣相沉積方式(PECVD)在氮化鎵單晶襯底上沉積厚度為98nm的S12或SiN作為掩膜圖形層，再把該掩膜圖形層制備為具有周期性結構的圓型孔狀掩膜圖形層，該圓型孔狀掩膜圖形層的圓型孔直徑為0.8微米，該圓型孔狀掩膜圖形層的圖形周期為1.4微米。
[0029]步驟2，把制備有圓型孔狀掩膜圖形層的氮化鎵單晶襯底101清洗干凈后放入MOCVD反應室進行二次生長，在H2氣氛、950°C下，MOCVD反應室的壓力為200torr、V/III摩爾比為1000，采用2微米/小時的生長速率三維生長厚度為150納米的η型GaN三維生長層102，其中該η型GaN三維生長層的Si摻雜濃度為1019cnf3。
[0030]步驟3，在H2氣氛、1050°C下，MOCVD反應室的壓力為60torr、V/III摩爾比為1300，采用恒定生長速率二維生長厚度為2微米的η型GaN 二維合并層103;其中該η型GaN 二維合并層的Si摻雜濃度為119Cnf3。
[0031]步驟4，在N2氣氛、820°C下，V/III摩爾比為5000，]?000)反應室的壓力為30(^0^生長厚度為150nm的η型GaN低溫應力釋放層104。
[0032]步驟5，在N2氣氛、750°C下，V/III摩爾比為5000，]?000)反應室的壓力為30(^0^，生長5周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)105，其中，x為0.2，InxGa1-XN阱層的厚度范圍為3nm，GaN皇層的厚度為15nm。
[0033]步驟6，在N2氣氛、850°C下，V/III摩爾比為5000、M0CVD反應室的壓力為10torr,生長5個周期的P型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層106，其中，Al組分71為0，該Al組分隨著超晶格電子阻擋層中超晶格周期數的增加而階梯式減少，P型AlylGan1N的厚度為3nm，GaN層厚度為4nm，p型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層的Mg摻雜濃度相應的空穴濃度為2XlO17Cnf30
[0034]步驟7，在H2氣氛、950°C下，V/III摩爾比為2000、M0CVD反應室的壓力為10torr,生長10nm的高溫P型GaN層107，高溫P型GaN層的Mg摻雜濃度為118Cnf3。
[0035]步驟8，在H2氣氛、650°C下，V/III摩爾比為5000、M0CVD反應室的壓力為300torr，生長3nm的P型InGaN接觸層108，該P型InGaN接觸層的Mg摻雜濃度大于1018cnf3。
[0036]步驟9，將MOCVD反應室的溫度先降至720°C，然后采用純氮氣氣氛進行退火處理10分鐘，再降至25°C，結束生長，完成氮化鎵發(fā)光二極管外延層的生長，制備得到高亮度的GaN基發(fā)光二極管外延層。
[0037]實施例三
步驟I，采用化學氣相沉積方式(PECVD)在氮化鎵單晶襯底上沉積厚度為102nm的S12或SiN作為掩膜圖形層，再把該掩膜圖形層制備為具有周期性結構的圓型孔狀掩膜圖形層，該圓型孔狀掩膜圖形層的圓型孔直徑為1.0微米，該圓型孔狀掩膜圖形層的圖形周期為1.6微米。
[0038]步驟2，把制備有圓型孔狀掩膜圖形層的氮化鎵單晶襯底101清洗干凈后放入MOCVD反應室進行二次生長，在H2氣氛、1050°C下，MOCVD反應室的壓力為300torr、V/III摩爾比為1300，采用3微米/小時的生長速率三維生長厚度為200納米的η型GaN三維生長層102，其中該η型GaN三維生長層的Si摻雜濃度為1019cnf3。
[0039]步驟3，在H2氣氛、1100°C下，MOCVD反應室的壓力為100torr、V/III摩爾比為3000，采用恒定生長速率二維生長厚度為2微米的η型GaN 二維合并層103;其中該η型GaN 二維合并層的Si摻雜濃度為119Cnf3。
[0040]步驟4，在N2氣氛、850°C下，V/III摩爾比為10000，]\?)00)反應室的壓力為300切^，生長厚度為150nm的η型GaN低溫應力釋放層104。[0041 ] 步驟5，在N2氣氛、850°C下，V/III摩爾比為10000，]\?)00)反應室的壓力為300切^，生長10周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)105，其中，x為0.3，InxGa1-XN阱層的厚度范圍為4nm，GaN皇層的厚度為20nm。
[0042]步驟6，在N2氣氛、950°C下，V/III摩爾比為10000、M0CVD反應室的壓力為300torr,生長10個周期的P型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層106，其中，Al組分71為0.2，該Al組分隨著超晶格電子阻擋層中超晶格周期數的增加而階梯式減少，P型AlylGa1-yl_^厚度為5nm，GaN層厚度為5nm，p型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層的Mg摻雜濃度相應的空穴濃度為2XlO17Cnf30
[0043]步驟7，在H2氣氛、1050°C下，V/III摩爾比為5000、M0CVD反應室的壓力為10torr,生長300nm的高溫P型GaN層107，該高溫P型GaN層的Mg摻雜濃度為118Cnf3。
[0044]步驟8，在H2氣氛、750°C下，V/111摩爾比為10000、M0CVD反應室的壓力為300torr,生長4nm的P型InGaN接觸層108，該口型11^財妾觸層的1%摻雜濃度大于1018011—3。
[0045]步驟9，將MOCVD反應室的溫度先降至750°C，然后采用純氮氣氣氛進行退火處理20分鐘，再降至30°C，結束生長，完成氮化鎵發(fā)光二極管外延層的生長，制備得到高亮度的GaN基發(fā)光二極管外延層。
[0046]以上所述的實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想及特點，其描述較為具體和詳細，其目的在于使本領域的普通技術人員能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，因此不能僅以此來限定本發(fā)明的專利保護范圍，并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，即凡依據本發(fā)明所揭示的精神所作的變化，仍應涵蓋在本發(fā)明的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，包括以下步驟: 步驟I，在氮化鎵單晶襯底上沉積厚度為98-102nm的S12或SiN作為掩膜圖形層，再把該掩膜圖形層制備為具有周期性結構的圓型孔狀掩膜圖形層，該圓型孔狀掩膜圖形層的圓型孔直徑為0.8-1.0微米，該圓型孔狀掩膜圖形層的圖形周期為1.4-1.6微米； 步驟2，把制備有圓型孔狀掩膜圖形層的氮化鎵單晶襯底清洗干凈后放入MOCVD反應室進行二次生長，在H2氣氛、950-1050°C下，MOCVD反應室的壓力為200-300torr、V/III摩爾比為1000-1300，三維生長厚度為150-200納米的η型GaN三維生長層； 步驟3，在H2氣氛、1050-1100°C下，MOCVD反應室的壓力為60-100torr、V/III摩爾比為1300-3000，二維生長厚度為1-3微米的η型GaN 二維合并層； 步驟4，在N2氣氛、820-850°C下，V/III摩爾比為5000-10000，M0CVD反應室的壓力為300torr，生長厚度為150nm的η型GaN低溫應力釋放層； 步驟5，在N2氣氛、750-850°C下，V/III摩爾比為5000-10000，M0CVD反應室的壓力為300torr，生長5-10周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)，其中，0〈x彡0.3，InxGapxN阱層的厚度范圍在2-4nm，GaN皇層的厚度為8-20nm; 步驟6，在N2氣氛、850-950°C下，V/III摩爾比為5000-10000、M0CVD反應室的壓力為100-300torr，生長5-10個周期的P型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層，其中，Al組分O彡0.2, P型AlylGa1-ylN的厚度為2-5nm，GaN層厚度為2-5nm； 步驟7，在H2氣氛、950-1050 °C下，V/III摩爾比為2000-5000、M0CVD反應室的壓力為10torr,生長 100_300nm 的高溫 p 型 GaN 層； 步驟8，在H2氣氛、650-750°C下，V/III摩爾比為5000-10000、M0CVD反應室的壓力為300torr,生長2_4nm的p型InGaN接觸層； 步驟9，將MOCVD反應室的溫度降至20-30 °C，結束生長，完成氮化鎵發(fā)光二極管外延層的生長，制備得到高亮度的GaN基發(fā)光二極管外延層。2.根據權利要求1所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述步驟I中采用化學氣相沉積方式制備掩膜圖形層。3.根據權利要求2所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述步驟2中采用1-3微米/小時的生長速率進行三維生長η型GaN三維生長層，該η型GaN三維生長層的Si摻雜濃度為1018-1019cm—3。4.根據權利要求3所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述步驟3中采用恒定生長速率進行生長η型GaN 二維合并層，該η型GaN 二維合并層的Si摻雜濃度為118-1O19Cnf3。5.根據權利要求4所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述步驟6中P型AlylGa1-ylN/GaN超晶格電子阻擋層的Mg摻雜濃度相應的空穴濃度為2X1017cm—3，其中Al組分隨著超晶格電子阻擋層中超晶格周期數的增加而減少。6.根據權利要求5所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述Al組分隨著超晶格電子阻擋層中超晶格周期數的增加而減少時呈階梯式減少。7.根據權利要求6所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述步驟7中的高溫P型GaN層的Mg摻雜濃度為117-1O18Cnf3。8.根據權利要求7所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述步驟8中的P型InGaN接觸層的Mg摻雜濃度大于1018cm—3。9.根據權利要求8所述的在圖形化氮化鎵單晶襯底上制備氮化鎵發(fā)光二極管的方法，其特征在于，所述步驟9中將MOCVD反應室的溫度先降至700-750°C，然后采用純氮氣氣氛進行退火處理5-20分鐘，再降至20-30 °C。
【文檔編號】H01L33/00GK106067492SQ201610631795
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年8月4日
【發(fā)明人】賈傳宇
【申請人】東莞市中鎵半導體科技有限公司