一种生长在钼非常规衬底的LED外延片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种生长在钼非常规衬底的LED外延片及其制备方法。所述外延片由下至上依次包括：钼衬底、碳化钼缓冲层、GaN层、n

【技术实现步骤摘要】
一种生长在钼非常规衬底的LED外延片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种生长在钼非常规衬底的LED外延片及其制备方法，属于光电子


技术介绍

[0002]GaN作为第三代半导体材料，具有宽的禁带宽度、高的电子迁移率以及良好的导热性能等优异的特性，能够被广泛地应用于光电半导体、高迁移率半导体等器件的制备。在半导体照明领域，基于GaN制备的发光二极管(LED)已经成为了照明市场的主流。经过数十年的发展，蓝宝石衬底和SiC衬底成为了成熟的商业化GaN基LED的外延衬底。蓝宝石衬底是单晶Al2O3材料，以其优异的化学稳定性和高硬度作为GaN基LED外延的主流衬底。然而，随着GaN基LED的大规模应用，如何降低LED的制备成本也成为了市场关注的焦点。
[0003]但是蓝宝石衬底GaN基LED芯片的制备存在着许多缺点。第一，蓝宝石衬底的热导率较低，这使得在LED在运行过程中产生的温度无法及时传导出去，而过高的温度影响器件的性能与可靠性，这在大功率器件的应用中尤其严重。第二，蓝宝石衬底的电导率低，这意味着LED的芯片必须采用同侧的电极结构的横向结构芯片，不能直接做出垂直结构。与传统的横向结构LED相比，垂直结构LED具有许多优点：(1)平面结构LED的P、N电极在同一侧，电流在n型和p型GaN限制层中横向流动，电流分布不均匀，导致电流拥挤，发热量高，而垂直结构LED两个电极分别在LED芯片外延层的上下两侧，电流几乎全部垂直流过外延层，没有横向流动的电流，电流分布均匀，产生的热量减少。(2)传统的横向结构采用蓝宝石衬底，由于蓝宝石衬底不导电，所以需要刻蚀台面，牺牲了有源区的面积。另外，由于蓝宝石衬底的导热性差，限制了LED芯片的散热；如果蓝宝石用采用垂直结构LED必须采用键合与剥离的方法将蓝宝石衬底去除，换成导电性好并且具有高热导率的衬底，但工艺复杂。
[0004]相比于传统半导体器件的垂直结构而言，横向结构LED芯片的制备工艺复杂、成本较高；另一方面，横向结构芯片在电流传输和发光面积上都被削弱，降低了器件的性能。而对于外延生长而言，蓝宝石衬底也存在着一些问题。首先，蓝宝石衬底与GaN之间的的晶格失配高达15％，这使得外延过程中会产生一定的张应力，为了释放这种应力，会在GaN层中产生大量的位错缺陷，这些位错在有源层中形成非辐射复合中心，降低LED的内量子效率。其次，蓝宝石与GaN之间的热失配约为25.5％，在外延降温过程中会引入压应力，对于没有优化过工艺的较厚薄膜而言，容易使GaN和蓝宝石衬底产生裂纹，影响器件的使用和稳定性。
[0005]中国专利文件CN109545921A公开了一种LED芯片、LED外延片及其制备方法，其中，LED外延片可以包括金属衬底、设置在金属衬底表面的GaN成核层、设置在GaN成核层表面的N型GaN层、设置在N型GaN层表面的多量子阱层、设置在多量子阱层表面的GaN阻挡层、设置在GaN阻挡层表面的P型GaN层。但是直接在镍上直接生长GaN，由于晶格匹配度相差较大，会引起严重的界面反应以及与衬底之间的巨大的热应力，从而严重影响LED芯片的性能。并且镍是面心立方结构，而通常生长的GaN是纤锌矿六方晶，所以在镍上直接生长六方晶GaN是
非常困难且复杂的。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在钼非常规衬底的LED外延片及其制备方法，本专利技术在Mo(钼)新型衬底上采用低温生长工艺外延生长GaN层，获得了高质量LED外延片；采用的Mo(钼)衬底，生长工艺简单、价格便宜，可大幅度降低器件的制造成本；通过选择合适的晶体取向，Mo(钼)(111)晶面衬底上获得的高质量GaN外延，可大幅度提高氮化物LED的效率，同时本专利技术所生长LED外延片容易实现无损剥离。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种生长在钼非常规衬底的LED外延片，由下至上依次包括：钼衬底、碳化钼缓冲层、GaN层、n
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GaN层、多量子阱层和p
‑
GaN层。
[0009]根据本专利技术优选的，所述碳化钼缓冲层的厚度为20～500nm。
[0010]根据本专利技术优选的，所述GaN层的厚度为500
‑
2000nm。
[0011]根据本专利技术优选的，所述n
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GaN层的厚度为1000
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3000nm。
[0012]根据本专利技术优选的，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层。
[0013]根据本专利技术优选的，所述InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN阱层的厚度为3
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5nm，GaN垒层的厚度为10
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15nm。
[0014]根据本专利技术优选的，所述InGaN/GaN多量子阱层为8
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20个周期结构。
[0015]根据本专利技术优选的，所述p
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GaN层的厚度为100
‑
200nm。
[0016]一种生长在钼非常规衬底的LED外延片的制备方法，包括步骤如下：
[0017]采用金属钼作为衬底，以(111)晶面为外延面，然后对钼衬底表面进行抛光、清洗以及高温预处理；接着在钼衬底上依次进行碳化钼(MoC)缓冲层、GaN层、n
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GaN层、多量子阱层和p
‑
GaN层的外延生长，即得生长在钼非常规衬底的LED外延片。
[0018]根据本专利技术优选的，所述生长在钼非常规衬底的LED外延片的制备方法，具体包括步骤如下：
[0019](1)采用钼作为衬底，以(111)晶面为外延面；
[0020](2)对钼衬底表面进行抛光、清洗，然后将钼衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境下升温到900～1000℃进行高温表面预处理；
[0021](3)将温度降低至600
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680℃，反应室压力30
‑
70Torr，碳源流量为100
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200sccm，钼源流量为80
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200sccm，在钼衬底上生长碳化钼缓冲层；
[0022](4)保持温度在600
‑
680℃，反应室压力100
‑
300Torr，V/III值80
‑
120，在碳化钼缓冲层上生长GaN层；
[0023](5)保持温度在600
‑
680℃，反应室压力100
‑
300Torr，V/III值80
‑
120，在GaN层上生长n
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GaN层；
[0024](6)保持温度在600
‑
800℃，反应室压力100
‑
300Torr，V/III值500
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1000，在n
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GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层；
[0025](7)保持温度在600
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，由下至上依次包括：钼衬底、碳化钼缓冲层、GaN层、n
‑
GaN层、多量子阱层和p
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GaN层。2.如权利要求1所述生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，所述碳化钼缓冲层的厚度为20～500nm。3.如权利要求1所述生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，所述GaN层的厚度为500～2000nm。4.如权利要求1所述生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，所述n
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GaN层的厚度为1000～3000nm。5.如权利要求1所述生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层。6.如权利要求5所述生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN阱层的厚度为3～5nm，GaN垒层的厚度为10～15nm。7.如权利要求5所述生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱层为8～20个周期结构。8.如权利要求1所述生长在钼非常规衬底的LED外延片，其特征在于，所述p
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GaN层的厚度为100～200nm。9.权利要求1所述生长在钼非常规衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：采用金属钼作为衬底，以(111)晶面为外延面，然后对钼衬底表面进行抛光、清洗以及高温预处理；接着在钼衬底上依次进行碳化钼缓冲层、GaN层、n
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GaN层、多量子阱层和p
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GaN层的外延生长，即得生长在钼非常规衬底的LED外延片。10.如权利要求9所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毓锋，张义，王成新，
申请(专利权)人：山东浪潮华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：