一種具有GaN緩沖層襯底的GaN基LED外延結構及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有GaN緩沖層襯底的GaN基LED外延結構及其制備方法，屬于光電子技術領域。
【背景技術】
[0002]近年來，以GaN、InN、AlN及其三元系和四元系材料為主的寬禁帶I I I_V族半導體材料的迅猛發展使得高亮度發光二極管實現了從綠光到近紫外產品的商品化。氮化物半導體材料優異的物理、化學穩定性，高飽和電子遷移率等特性，成為GaN基激光器、發光二極管等光電子器件的優選材料。而由于GaN襯底生長困難，缺乏晶格匹配的襯底，三組氮化物都是異質外延在其他材料上，常用的襯底包括藍寶石、SiC、砷化鎵及Si襯底等。
[0003]藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好；其次，藍寶石的穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，普遍采用以藍寶石作為襯底進行GaN基LED的生長。
[0004]但是，藍寶石與GaN材料晶格常數相差約15 %，熱膨脹系數和化學性質也相差較大。大的失配使在藍寶石襯底上生長的氮化物外延層缺陷密度較大(達19-1O12Cm 2)，從而影響器件的壽命和發光效率；在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量，特別是對面積較大的大功率器件，因此導熱性能也是一個非常重要的考慮因素，而藍寶石的導熱性能不好，在100°C約為 25W/(m.K)。
[0005]近年來，由于SiC是寬帶隙半導體材料，與Si襯底相比有諸多優勢，如SiC器件的工作溫度可高達600°C，而Si器件的最高溫度局限在175°C，此外SiC襯底與GaN的晶格失配和熱失配相對藍寶石較小，且化學穩定性好、不吸收可見光，優異的導電性能和導熱性能可以較好的解決功率型GaN LED器件的散熱問題，故在半導體照明技術領域占很重要地位。但SiC作為GaN基LED襯底，其不足方面也很突出，如價格太高、晶體質量難以達到藍寶石和Si那么好、機械加工性能比較差，且盡管SiC材料與GaN材料的晶格匹配和熱膨脹系數相差較小，但在MOCVD生長過程中，仍需首先在襯底上沉積GaN緩沖層以保證GaN基LED的結晶質量，因此而使得GaN基LED工藝生長時間很長，工藝成本高居不下。
[0006]中國專利文獻CN101771120A公開了一種SiC或Si襯底GaN基晶體的結構及其生長方法，通過在襯底與N-GaN層之間插入具有3-5個三維和二維循環的AlN緩沖層得到更厚的無裂紋的全結構LED。該方法利用MOCVD三維和二維循環諧振生長，工藝比較復雜，而且由于生長機制的限制，MOCVD生長AlN緩沖層速率很低，因此要花費較長時間，MOCVD設備價格極為昂貴，生長AlN緩沖層的時間增加了設備折舊在單片外延片成本的比例。另外MOCVD生長AlN緩沖層的原材料成本也很高，導致GaN LED外延成本居高不下。
[0007]中國專利文獻CN101060076公開了一種高晶體質量的GaN絕緣或半絕緣外延層的制備方法，該方法以藍寶石、Si或SiC為襯底，先經襯底高溫氮化后，依次高溫生長AlN成核層、GaN成核層及GaN外延層，生長出平整表面。繼續外延GaN生長時采用原位金屬摻雜，隨后又采用AlGaN/GaN超晶格或多周期間歇式原子層脈沖沉積法生長GaN過渡層，最后生長出表面光滑、高結晶質量的GaN外延層。該方法在工藝上復雜且實行起來較難，且在MOCVD生長過程中在底層生長時間過長，極大增加了工藝成本。
[0008]中國專利CN102465334A涉及一種氮化鎵(GaN)基LED外延層生長的方法，該方法主要包括在MOCVD反應室生長GaN緩沖層；在HVPE中對緩沖層作退火處理；利用HVPE生長厚膜GaN ;在厚膜GaN上生長N型GaN ;在MOCVD反應室中生長多量子阱結構和P型GaN。中國專利CN102465334A中提到先是在MOCVD中生長20_40nm的緩沖層，然后在HVPE中進行退火處理，并生長GaN厚膜及N型GaN，最后再轉為在MOCVD中生長MQW及P型GaN。對比其專利采用MOCVD和HVPE交叉使用，雖然在MOCVD中的生長時間得到減少，但在實際應用過程中總體的生長時間很長，且操作較繁瑣復雜，又在HVPE中生長10-50um的非摻的GaN以及2-5um的N型GaN，通過HVPE生長的N型GaN薄膜相比MOCVD生長的N型GaN要差很多，N型GaN薄膜的質量在LED結構中至關重要，所以利用HVPE生長N型GaN會嚴重影響其發光特性。本專利是利用HVPE在襯底上直接生長3-10um的GaN緩沖層并作為一種新型襯底用于MOCVD中進行LED結構的生長，實際應用操作上簡單方便，且能保證LED結構良好的發光特性。
[0009]中國專利CN01431017B公開了改善藍寶石襯底上GaN厚膜完整性的方法:采用HVPE工藝，包括下述步驟:1)采用的襯底是藍寶石或Si，2)將上述襯底經過清洗、吹干后，放入HVPE生長系統中，先生長低溫GaN緩沖層，緩沖層生長溫度550_750°C，生長時間30-300S ；3)將生長溫度升高至850-950°C，在該溫度下進行GaN生長，時間30_300s ；4)維持步驟3生長條件開始升溫生長，直到生長溫度提升至1050-1100°C，繼續進行GaN的HVPE生長，直到得到所需厚度的GaN薄膜；5)生長完成后緩慢降溫至室溫，降溫速率不高于10C /分鐘。與本發明的技術區別點:專利CN01431017B中提到襯底使用上僅用藍寶石和Si，另外專利CN102465334A的主要重點在于利用HVPE生長一種完整的GaN厚層，且權利說明書中說明厚度在50um以上；本專利中的襯底除藍寶石和Si襯底外還可以使用SiC，且本專利的重點在于為LED結構提供一種新型的襯底，主要目的是在利用MOCVD生長LED結構時節約成本和提高晶體質量，且本專利在利用HVPE生長GaN緩沖層厚度近需很薄的一層，在3-10um之間即可。與本發明的應用區別點、技術缺點:專利CN01431017B在應用上僅是保持一種在藍寶石或Si襯底上GaN的完整性的問題；本專利的應用方面為生長LED結構，側重點完全不同。

【發明內容】

[0010]針對現有技術的不足，本發明提供一種具有GaN緩沖層襯底的GaN基LED外延結構。
[0011]本發明還提供一種上述外延結構的制備方法。
[0012]術語解釋:
[0013]1、M0CVD:Metal Organic Chemical Vapour Deposit1n,金屬有機物化學氣相沉積；
[0014]2、HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy,氣化物氣相外延。
[0015]本發明的技術方案如下:
[0016]一種具有GaN緩沖層襯底的GaN基LED外延結構，包括自下而上依次設置的GaN緩沖層襯底、N-GaN層、多量子阱層和P-GaN層；
[0017]所述GaN緩沖層襯底是利用HVPE法在藍寶石、Si或SiC襯底上生長的非故意摻雜的GaN緩沖層；
[0018]所述GaN緩沖層的厚度3-10 μ m。
[0019]根據本發明優選的，所述多量子阱層是由阱層和壘層周期性交替疊加構成，所述量子阱的周期為8-15個。
[0020]如上述一種具有GaN緩沖層襯底的GaN基LED外延結構的制備方法，包括以下步驟:
[0021](I)利用HVPE法在藍寶石、Si或SiC襯底上生長厚度為3_10 μ m的GaN緩沖層作為GaN緩沖層襯底；
[0022](2)將步驟(I)所述GaN緩沖層襯底放入MOCVD反應室中，通入NH3,其中NH3流量為30-100L/min，通入時間為2_5min ;所述MOCVD反應室內溫度為1000°C -1200°C，在GaN緩沖層襯底上直接生長2-4 μ m厚的N-GaN層；
[0023](3)按現有技術的常規方法在700-800°C的溫度下，在N-GaN層上生長厚度為120-200nm的多量子阱層，其中，阱層厚度2.5-3.5nm，壘層厚度10_15nm ；
[0024](4)按現有技術的常規方法在800-90(TC的溫度下，在所述多量子阱層上生長厚度為 150-300nm 的 P-GaN 層。
[0025]根據本發明優選的，所述步驟(I)中，首先將所述藍寶石、Si或SiC襯底經過清洗、吹干后，放入HVPE生長系統中。
[0026]根據本發明優選的，在所述步驟(I)中，在所述HVPE生長系統中生長GaN緩沖層的過程如下:
[0027]首先調整:生長溫度500-800°C，生長時間為50_300s ；
[0028]隨后調整，將生長溫度升高至900-1100°C，生長時間50_300s，直至生長出厚度3-10 μ m ^ GaN 緩沖層。
[0029]本發明通過采用HVPE法在藍寶石、Si或SiC襯底上生長一層GaN緩沖層作為襯底放入MOCVD反應室內直接生長N-GaN層、多量子阱層和P-GaN層，與傳統藍寶石、Si或SiC襯底相比，不需要生長GaN緩沖層，可以節省MOCVD程序時間，提高設備利用率，降低GaN基LED的成本。
[0030]本發明通過使用HVPE生長的3-10 μ m厚度的GaN緩沖層作為GaN基LED結構生長的新型襯底，利用MOCVD技術直接在GaN緩沖層新型襯底上沉積N-GaN層，而不是像藍寶石、Si或是SiC襯底需要沉積GaN緩沖層，有效的減少了位錯密度，提高了晶體質量，不僅縮短了工藝生長時間，降低了工藝成本，同時也大大提高了 GaN基LED的發光效率。
[0031 ] 本發明的有益效果:
[0032]本發明無需在襯底與N-GaN層之間生長緩沖層，解決了由于生長機制的限制，造成MOCVD生長GaN緩沖層速率低、生長時間長的問題；
[0033]其次，MOCVD