生长在W衬底上的LED外延片制造技术

本实用新型专利技术公开了生长在W衬底上的LED外延片，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN薄膜，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜。本实用新型专利技术的LED外延片缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了生长在W衬底上的LED外延片，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN薄膜，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜。本技术的LED外延片缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。【专利说明】生长在W衬底上的LED外延片
本技术涉及LED外延片，特别涉及一种生长在金属钨(W)衬底上的LED外延片。
技术介绍
发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。 III族氮化物GaN在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。GaN是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的发光效率现在已经达到28 %并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯(约为2 % )或荧光灯(约为10% )等照明方式的发光效率。数据统计表明，我国目前的照明用电每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省接近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。因照明而产生的温室气体排放也会因此而大大降低。另外，与荧光灯相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。 LED要真正实现大规模广泛应用，需要进一步提高LED芯片的发光效率。虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但是商业化LED发光效率还是低于钠灯(1501m/W)，单位流明/瓦的价格偏高。目前，LED芯片的发光效率不够高，一个主要原因是由于其蓝宝石衬底造成的。由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达17%,导致外延GaN薄膜过程中形成很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，进而影响了 GaN基器件的性能。其次，由于室温下蓝宝石热膨胀系数(6.63 X 1-67K)较GaN的热膨胀系数(5.6XlO-6A)大，两者间的热失配度约为_18.4%，当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。再次，由于蓝宝石的热导率低(100°C时为0.25W/cmK)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。此外，由于蓝宝石是绝缘体，不能制作垂直结构半导体器件。因此电流在器件中存在横向流动，导致电流分布不均匀，产生较多热量，很大程度上影响了 GaN基LED器件的电学和光学性质。 因此迫切需要寻找一种热导率高、可以快速地将LED节区的热量传递出来的材料作为衬底。而金属W作为外延氮化物的衬底材料，具有三大其独特的优势。第一，金属W有很高的热导率，W的热导率为1.74W/cmK，可以将LED芯片内产生的热量及时的传导出，以降低器件的节区温度，一方面提高器件的内量子效率，另一方面有助于解决器件散热问题。第二，金属W可以作为生长GaN基垂直结构的LED器件的衬底材料，可直接在衬底上镀阴极材料，P-GaN上镀阳极材料，使得电流几乎全部垂直流过GaN-基的外延层，因而电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，电流产生的热量减小，对器件的散热有利；另外，可以将阴极材料直接镀在金属衬底上，不需要通过腐蚀P-GaN层和有源层将电极连在N-GaN层，这样充分利用了有源层的材料。第三，金属W衬底材料相对其他衬底，价格更便宜，可以极大地降低器件的制造成本。正因为上述诸多优势，金属衬底现已被尝试用作III族氮化物外延生长的衬底材料。 但是金属W衬底在高温下化学性质不稳定，当外延温度高于600°C的时候，外延氮化物会与金属衬底之间发生界面反应，严重影响了外延薄膜生长的质量。III族氮化物外延生长的先驱研究者、著名科学家Akasaki等人就曾尝试应用传统的MOCVD或者MBE技术直接在化学性质多变的衬底材料上外延生长氮化物，结果发现薄膜在高温下外延相当困难。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本技术的目的在于提供一种生长在W衬底上的LED外延片，具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的LED外延片缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。 本技术的目的通过以下技术方案实现: 生长在W衬底上的LED外延片，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的η型掺杂GaN薄膜，生长在η型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜； 所述AlN缓冲层为在400?500°C生长的AlN缓冲层；所述非掺杂GaN层为在500?700°C生长的非掺杂GaN层；所述η型掺杂GaN薄膜为在700?800°C生长的η型掺杂GaN薄膜；所述InGaN/GaN量子阱为在700?800°C生长的InGaN/GaN量子阱；所述p型掺杂GaN薄膜为在700?800°C生长的p型掺杂GaN薄膜。 所述W衬底以(110)面为外延面。 所述AlN缓冲层的厚度为80?10nm ;所述非掺杂GaN层的厚度为2?4 μ m ;所述η型掺杂GaN薄膜的厚度为3?5 μ m ;所述InGaN/GaN量子阱为7?10个周期的InGaN讲层/GaN鱼层，其中InGaN讲层的厚度为2?3nm ；GaN鱼层的厚度为10?13nm ;所述p型掺杂GaN薄膜的厚度为300?400nm。 与现有技术相比，本技术具有以下优点和有益效果: (I)本技术使用了金属W作为衬底，用过生长AlN缓冲层可以获得岛状的AlN为外延高质量的GaN薄膜提供形核中心，有利于沉积高质量低缺陷的GaN薄膜，有望极大的提高了 LED的发光效率。 (2)本技术使用了 W作为衬底，W衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。 (3)本技术采用MBE和PLD结合的方法，生长出低温高质量的GaN基薄膜，制备出高质量的大功率LED外延片。应用MBE生长有源层，其他层的外延则采用低温的PLD技术，这样在较低的温度下就可以完成薄膜的生长，避免了高温界面反应，为制备高质量低缺陷的薄膜提供了保障。 (4)本技术制备出了高质量的LED外延片，可以作为生长GaN基垂直结构的LED器件的衬底材料，使得电流几乎全部垂直流过GaN-基的外延层，因而电阻下降，没有电流拥挤，电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在W衬底上的LED外延片，其特征在于，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN薄膜，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜；所述AlN缓冲层为在400～500℃生长的AlN缓冲层；所述非掺杂GaN层为在500～700℃生长的非掺杂GaN层；所述n型掺杂GaN薄膜为在700～800℃生长的n型掺杂GaN薄膜；所述InGaN/GaN量子阱为在700～800℃生长的InGaN/GaN量子阱；所述p型掺杂GaN薄膜为在700～800℃生长的p型掺杂GaN薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，王文樑，刘作莲，杨为家，林云昊，周仕忠，钱慧荣，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44