生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，包括钇铝石榴石衬底，在所述钇铝石榴石衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型掺杂GaN薄膜、InGaN/GaN量子阱和p型掺杂GaN薄膜。该LED外延片陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。本发明专利技术还公开了所述生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，该制备方法工艺简单，制备成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及LED外延片及制备方法，尤其涉及生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片及制备方法。
技术介绍
发光二极管(LED)作为一种新型固态照明光源，以其发热量低、耗电量少、反应速度快、寿命长、体积小等优点，被认为是21世纪的绿色照明光源。面对未来大功率照明的市场需求，LED要真正实现大规模广泛应用，其发光效率仍需要进一步提高。目前，LED芯片主要是由生长在蓝宝石衬底上GaN材料体系所制备的。但是，由于蓝宝石与GaN之间的晶格失配高达13.3％，导致外延GaN薄膜过程中产生了密度为～109cm-2的位错缺陷，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，由于蓝宝石的热导率低(100℃时为25W/m·K)，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。因此，寻找一种与GaN材料晶格匹配且导热性良好的衬底材料，以用于GaN基LED外延片的制备显得十分重要。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，该LED外延片陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。本专利技术的第二个目的在于提供所述生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，该制备方法工艺简单，制备成本低廉。本专利技术的第一个目的采用以下技术方案实现：生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，包括钇铝石榴石衬底，在所述钇铝石榴石衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型掺杂GaN薄膜、InGaN/GaN量子阱和p型掺杂GaN薄膜。优选的，所述钇铝石榴石衬底以(111)面偏(100)面0.5-1°为外延面，所述钇铝石榴石衬底和GaN缓冲层的外延取向关系为：GaN缓冲层的(0001)面平行于钇铝石榴石衬底的(111)面。其中，钇铝石榴石又称为Y3Al5O12，即GaN(0001)//Y3Al5O12(111)。优选的，所述GaN缓冲层的厚度为30-50nm；所述非掺杂GaN层的厚度为500-800nm；所述n型掺杂GaN薄膜的厚度为2-4μm，掺杂电子浓度5.0×1017-1.0×1019cm-3；所述InGaN/GaN量子阱中，InGaN阱层的厚度为3-5nm，GaN垒层的厚度为10-15nm，周期数为7-12；所述p型掺杂GaN薄膜的厚度为200-500nm，掺杂空穴浓度5.0×1016-1.0×1018cm-3。本专利技术的第二个目的采用以下技术方案实现：一种生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：1)采用钇铝石榴石衬底，以钇铝石榴石衬底的(111)面偏(100)面0.5-1°为外延面，首先外延生长GaN缓冲层；其中，钇铝石榴石衬底和GaN缓冲层的外延取向关系为：GaN缓冲层的(0001)面平行于钇铝石榴石衬底的(111)面；2)在GaN缓冲层上次依次外延生长非掺杂GaN层、n型掺杂GaN薄膜、InGaN/GaN量子阱和p型掺杂GaN薄膜。优选的，在外延生长GaN缓冲层前，还包括对钇铝石榴石衬底进行表面退火处理，具体操作如下：将钇铝石榴石衬底放入反应室内，在800-900℃下，氮气氛围中进行原位退火处理1-2h。优选的，外延生长GaN缓冲层的工艺条件为：采用激光辅助分子束外延生长工艺，将钇铝石榴石衬底的温度保持在400-500℃，控制反应室的压力为4.0-6.0×10-3Torr、激光能量为220-300mJ、激光频率为10-30Hz、生长速度为60-80nm/h。优选的，外延生长非掺杂GaN层的工艺条件为：采用分子束外延生长工艺，将钇铝石榴石衬底的温度保持在500-600℃，控制反应室的压力为3.0-6.0×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值为30-40、生长速度为120-150nm/h。优选的，外延生长n型掺杂GaN薄膜的工艺条件为：采用分子束外延生长工艺，将钇铝石榴石衬底的温度保持在650-750℃，控制反应室的压力为3.0-6.0×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值为30-40、生长速度为120-150nm/h。优选的，外延生长InGaN/GaN多量子阱的工艺条件为：采用分子束外延生长工艺，将钇铝石榴石衬底的温度保持在750-850℃，控制反应室的压力为4.0-5.0×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值为40-50、生长速度为60-80nm/h。优选的，外延生长p型掺杂GaN薄膜的工艺条件为：采用分子束外延生长工艺，将钇铝石榴石衬底的温度调至650-750℃，控制反应室的压力为3.0-6.0×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值为30-40、生长速度为120-150nm/h。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，采用与GaN晶格失配度低的钇铝石榴石作为衬底，能够有效的减少位错的形成，制备出高质量LED外延片，有利提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高LED器件的发光效率。且Y3Al5O12衬底的热导率高达140W/m·K，增强了LED芯片的散热能力，有利于提高器件的内量子效率，最终提升器件的性能。(2)本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，钇铝石榴石衬底以(111)面偏(100)面0.5-1°为外延面，其与GaN缓冲层的外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Y3Al5O12的(111)面，即GaN(0001)//Y3Al5O12(111)。Y3Al5O12(111)具有与GaN(0001)相同的六方对称性，立方相的Y3Al5O12(111)的晶格参数为因而六方相的Y3Al5O12(111)晶格参数非常接近于GaN(111)晶格参数的两倍，两者的晶格失配度小，保证了Y3Al5O12衬底与GaN缓冲层之间的晶格匹配，有助于外延生长高质量GaN薄膜。(3)本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，GaN缓冲层的厚度为30-50nm，30-50nm厚的GaN缓冲层可以提供形核的中心，为接下来外延生长高质量GaN薄膜奠定基础。(4)本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，在外延生长GaN缓冲层前，对钇铝石榴石衬底进行表面退火处理，退火处理可使衬底获得原子级平整的表面。(5)本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，在钇铝石榴石衬底的温度为400～500℃的条件下生长GaN缓冲层，可以有效的抑制衬底和薄膜之间的界面反应，同时为外延生长提供足够多的生长能量。(6)本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，采用钇铝石榴石作为衬底，采用了低温(400-500℃)外延技术在钇铝石榴石衬底上先外延生长一层GaN缓冲层，获得岛状GaN，为下一步沉积高质量低缺陷的GaN薄膜做铺垫，提高器件的发光效率，有望制备出高效LED的器件。(7)本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，采用的分子束外延生长工艺，使得非掺杂GaN层的厚度为500-800nm，这样的非掺杂GaN层完全处于弛豫状态，有利于后期高质量的n型掺杂GaN薄膜的外延生长。附图说明图1为本专利技术所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，其特征在于，包括钇铝石榴石衬底，在所述钇铝石榴石衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型掺杂GaN薄膜、InGaN/GaN量子阱和p型掺杂GaN薄膜。

【技术特征摘要】
1.生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，其特征在于，包括钇铝石榴石衬底，在所述钇铝石榴石衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型掺杂GaN薄膜、InGaN/GaN量子阱和p型掺杂GaN薄膜。2.根据权利要求1所述的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，其特征在于，所述钇铝石榴石衬底以(111)面偏(100)面0.5-1°为外延面，所述钇铝石榴石衬底和所述GaN缓冲层的外延取向关系为：GaN缓冲层的(0001)面平行于钇铝石榴石衬底的(111)面。3.根据权利要求1所述的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为30-50nm；所述非掺杂GaN层的厚度为500-800nm；所述n型掺杂GaN薄膜的厚度为2-4μm，掺杂电子浓度5.0×1017-1.0×1019cm-3；所述InGaN/GaN量子阱中，InGaN阱层的厚度为3-5nm，GaN垒层的厚度为10-15nm，周期数为7-12；所述p型掺杂GaN薄膜的厚度为200-500nm，掺杂空穴浓度5.0×1016-1.0×1018cm-3。4.一种生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用钇铝石榴石衬底，以钇铝石榴石衬底的(111)面偏(100)面0.5-1°为外延面，外延生长GaN缓冲层；其中，钇铝石榴石衬底和GaN缓冲层的外延取向关系为：GaN缓冲层的(0001)面平行于钇铝石榴石衬底的(111)面；2)在GaN缓冲层上依次外延生长非掺杂GaN层、n型掺杂GaN
\t薄膜、InGaN/GaN量子阱和p型掺杂GaN薄膜。5.根据权利要求4所述的生长在钇铝石榴石衬底上的LED外延片的制备方法，其特征在于，在外延生长GaN缓冲层前，对钇铝石榴石衬底进行表面退火处理，具体操作如下：将钇铝石榴石衬底放入反应室内，在800-900℃下，氮气氛围...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：河源市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44