專利名稱：一種GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，尤其是涉及一種第三代化合物半導(dǎo)體材料GaN基垂 直結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管。 眾所周知，GaN基藍(lán)光、紫光、藍(lán)綠光發(fā)光二極管以其壽命長、功耗低、體積小等優(yōu) 點(diǎn)在許多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用，如大面積全色平板顯示屏、儀表指示燈、藍(lán)綠色交通燈以及 各禾中照明設(shè)備等([l]. Masayoshi Koike，Naoki Shibata，Hisaki Kato，et al. Development
of highefficiency GaN—based multiquantum—well light—emitting diodes and their applications[J]. IEEEJournal on Selected Topics in Quantum Electronics,2002，
8(2) :271-277)。由于GaN屬于六方晶系結(jié)構(gòu)，而且生長溫度高、缺乏本體襯底，因此通常 GaN薄膜及其相關(guān)的III族氮化物半導(dǎo)體材料主要是異質(zhì)外延在與之晶系結(jié)構(gòu)相容的藍(lán)寶 石襯底上。藍(lán)寶石襯底的使用勢必導(dǎo)致器件后續(xù)制備工藝復(fù)雜化，比如，GaN基LED和LD 的制作，必須采用干法刻蝕技術(shù)刻出n-GaN歐姆接觸面及諧振腔面([2]. Dong-Sing WUU， Shun-Cheng HSU， Shao-Hua HUANG， Chia-ChengWU， Chia-En LEE and Ray-Hua H0RNG. GaN/
Mirror/Si Light-Emitting Diodes for VerticalCurrent Injection by Laser Lift-Off and Wafer Bonding Techniques. Japanese Journal of AppliedPhysics,2004，43 (8A):
5239-5242)。還有，藍(lán)寶石襯底的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率都比較低，雖然目前GaN基發(fā)光二極管的 電光轉(zhuǎn)化效率已高達(dá)42%，但是仍有相當(dāng)多的能量轉(zhuǎn)化為熱能。如果這些熱能不及時(shí)導(dǎo)出， 必然影響器件的電學(xué)特性和壽命，隨之也會(huì)使器件制備復(fù)雜化([3].H. C. Lee， J. B. Park, J. W. Bae，Pham Thi Thu Thuy， M. C. Yoo and G. Y. Yeom. Effect of the surfacetexturing
sh即es fabricated using dry etching on the extraction efficiency of vertical
light-emittingdiodes. Solid-State Electronics, 2008， 52 :1193-1196)。因此，無藍(lán)寶石 襯底的自支撐GaN基光電子器件的獲得逐漸成為一個(gè)活躍的研究熱點(diǎn)。
近來，薄膜激光剝離技術(shù)已被確認(rèn)為是GaN基異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)移除藍(lán)寶石襯底 最有效的方法之一。Kelly等([4].M,K.Kelly， 0. Ambacher， B. Dahlheimer， G. Groos， R. Dimitrov， H. Angererand M. Stutzma皿.Appl. Phys. Lett. 1996， 69 :1749)采用三倍頻波 長為355mm的Nd:YAG激光器及Wong等([5]. W. S. Wong， T. Sands and N. W. Cheung. A卯l. Phys. Lett. 1998,72 :599)利用波長為248nm的KrF準(zhǔn)分子脈沖激光器通過激光輻照透明 藍(lán)寶石襯底均實(shí)現(xiàn)了 GaN薄膜的成功剝離。其基本原理是利用晶片鍵合技術(shù)和激光誘導(dǎo)剝 離技術(shù)(LL0)將GaN基LED等器件結(jié)構(gòu)薄膜與藍(lán)寶石襯底分離并轉(zhuǎn)移到硅襯底或銅、鎳等 金屬基板上。傳統(tǒng)的基于藍(lán)寶石襯底的的LED結(jié)構(gòu)需要在臺(tái)面上制作透明p型歐姆層以增 強(qiáng)光提取效率。相比之下，垂直電注入結(jié)構(gòu)的GaN基LED可以有效地增大出光面外延層并 簡化如干法刻蝕、表面粗化等制作過程。而且，這種結(jié)構(gòu)也很容易實(shí)現(xiàn)n型GaN外延層的非 退火歐姆接觸。 值得注意的是，激光誘導(dǎo)剝離藍(lán)寶石襯底之后的GaN基LED表面是N面GaN緩沖
背景技術(shù)：
量較差，直接在上面制作電極會(huì)影響器件的電學(xué)特性和可靠性，所以 在制作n電極之前必須刻蝕掉這部分GaN緩沖層直至n型GaN層。這在GaN基LD高質(zhì)量 諧振腔面的制作過程中，則顯得尤為關(guān)鍵。因?yàn)長D的腔面反射率隨腔面粗糙程度的增加 而呈指數(shù)下降，從而使閾值電流增加、斜率效率下降([6]. Stocker D A，Schubert E F and Grieshaber. Appl. Phys. Lett. 1998,73 :1925-1927)。所以，在GaN基藍(lán)光VCSEL微腔制 作過程中，激光誘導(dǎo)剝離藍(lán)寶石襯底后得到的低質(zhì)量表面粗糙GaN層必須經(jīng)過處理，以得 到無損傷表面光滑的GaN層([7].HS Kim， MD Dawson， GY Yeom. Journal of the Korean Physical Society,2002，40(4) :567-571)。 然而，GaN的化學(xué)鍵合能高達(dá)8. 92eV/atom，高結(jié)合能和寬帶隙使GaN基材料的化 學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在常溫下幾乎不受化學(xué)酸和堿等溶液的腐蝕。所以，基于III族氮化物的光 電子器件的制作主要依賴于干法刻蝕技術(shù)，特別是基于等離子輔助的高密度等離子體刻蝕 技術(shù)，如感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)。在制作高性能的GaN基LED和LD器件時(shí)，對 刻蝕工藝的要求都比較苛刻，即具有較高的刻蝕速率，較大的刻蝕深度，垂直的側(cè)壁，光滑 的亥lj蝕表面等([8].Rong B， Cheung R， Gao W， et al. Effects of reactive ion etching on the electricalcharacteristics of GaN. J Vac Sci Technol，2000， B18(6) :3467 3470)。這些要求無疑都增加了器件制作的技術(shù)難度。為此，國內(nèi)外許多研究小組做了 大量實(shí)驗(yàn)致力于摸索出該刻蝕工藝的最佳條件以期滿足上述要求。如F.Rizzi等([9]. F. Rizzi，E. Gu，M. D. Dawson，I. M. Watson，et al. Thinning of N-face GaN(000 1)samples by inductively coupled plasma etching andchemomechanical polishing. J. Vac. Sci. Technol. A， 2007， 25 (2) :252-260)在優(yōu)化的Ga面GaN材料ICP刻蝕條件基礎(chǔ)上，以Cl2/Ar/ BC13為等離子體源，分別通過降低直流偏壓和減小BC13的流量，獲得了平均表面粗糙度小 于3nm和刻蝕速率高達(dá)370 390nm/min的N面GaN。另外，Choi等([10]. Yong-Seok Choi ， Michael Iza， Elison Matioli， Gregor Koblmiiller， James S. Speck， Claude Weisbuch and Evelyn L Hu. 2. 5入microcavity InGaN light—emitting diodes fabricated by aselective dry-etch thinning process. Appl. Phys丄ett， 2007， 91 :061120)報(bào)道了基 于SF6/BC13的等離子體源對N面GaN:AlxGai—XN的選擇性刻蝕(N面GaN:Al,Ga卜XN速率比 > 5 : l，x > 0. 15)，實(shí)現(xiàn)了 RCLED微腔厚度的精確控制。還有，Ichitaro WAKI等([ll]. Ichitaro WAKI， Mike IZA， James S. SPECK， Steven P. DENBAARS and Shuji NAKAMURA. Etching of Ga—face and N—faceGaN by Inductively Coupled Plasma. Japanese Journal of A卯lied Physics, 2006， 45 (2A) :720-723)的研究表明，用基于SF6和BC13等離子體源 的Ga面GaN ICP刻蝕條件刻蝕N面GaN會(huì)降低刻蝕速率和表面質(zhì)量；而用傳統(tǒng)的Cl/Ar等 離子源刻蝕N面GaN會(huì)得到較高的刻蝕速率，并且不會(huì)使表面質(zhì)量下降。在低CI含量條件 下，GaN表面CI的吸附是限制刻蝕速率的主要因素；而在高Cl含量條件下，離子轟擊則是 限制刻蝕速率的主要因素。 與此同時(shí)，我們知道，特定的等離子體源對III族氮化物的刻蝕具有較高的選擇 性。Lee等([12]. Ji_Myon Lee， Ki_Myimg Chang， In_Hwan Lee and Seong_Ju Parka. Highly selective dryetching of III nitrides using an inductively coupled Cl2/ Ar/02 plasma. J. Vac. Sci. Technol. B， 2000， 18(3))指出，在Cl2/Ar/02作為ICP刻蝕源的 條件下，GaN、Al,Ga卜,N和In,Ga卜XN的刻蝕速率和選擇性主要受02流量和等離子體參數(shù)的影
5響。由于AlGaN表面生成了 A10x刻蝕終止層，使得GaN: Al。. ^a。. 9N和In。. 12Ga。. 88N: Al。. ^a。. 9N的刻蝕速率之比最大分別可達(dá)24和32，這層氧化物很容易在HF基溶液中除去。而且，由此得到的AlGaN表面質(zhì)量比GaN和InGaN明顯提高了 。另外，由于n型超晶格中Si的低激活能，可以提高n型材料的電子濃度；利用n型超晶格的極化效應(yīng)，可以在表面形成二維電子氣(2DEG)，提高表面電子濃度，有利于電流擴(kuò)展，從而降低接觸電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)制備GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的外延片仍采用傳統(tǒng)發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)中摻硅GaN層作為n型接觸層的現(xiàn)狀，提供一種n型超晶格結(jié)構(gòu)作為接觸層的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制備方法。 本發(fā)明所述GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管從下到上依次為藍(lán)寶石襯底、低溫GaN緩沖層、第1摻硅GaN層、5 10個(gè)周期的n-InGaN/n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層、第2摻硅GaN層、5個(gè)周期的固定或漸變組分InGaN/GaN量子阱、摻鎂AlGaN層、摻鎂GaN層、5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層、p-InGaN蓋層。
所述GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管還設(shè)有p電極和n電極。 所述藍(lán)寶石襯底可采用(0001)面藍(lán)寶石襯底，電阻率可為10—2 10—3 Q cm。
所述GaN緩沖層的厚度可為15 30nm;所述第1摻硅GaN層的厚度可為0. 1 0. 3iim。 所述第2摻硅GaN層的厚度可為1. 5 3 ii m。 所述摻鎂AlGaN層的厚度可為0. 1 0. 2 y m，所述摻鎂GaN層的厚度可為0. 2 0. 3iim。所述5個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格的總厚度可為20 60nm，其中每個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格層中的p-InGaN層的厚度可為2 5nm，每個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格層中的p-AlGaN層的厚度可為2 7nm。
所述p-InGaN蓋層的厚度可為2 3nm。 本發(fā)明所述GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法包括以下步驟 1)將藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，對襯底依次進(jìn)行熱處理和氮化處理； 2)在氮化處理后的襯底上生長GaN緩沖層，隨后升溫，使GaN緩沖層重新結(jié)晶； 3)生長第1摻硅GaN層；4)生長5 10個(gè)周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層；
5)生長第2摻硅GaN層； 6)生長5個(gè)周期的固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱；
7)分別生長摻鎂AlGaN層和摻鎂GaN層；
8)生長5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層； 9)在5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層上再生長p-InGaN蓋層；
10)最后，將外延片退火，得GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管。 在步驟1)中，所述熱處理最好在4氣氛下加熱至1050 120(TC對襯底進(jìn)行熱處理5 20min，所述氮化處理最好是將熱處理后的襯底降溫到500 IOO(TC再對襯底進(jìn)行氮化處理60 150s。
在步驟2)中，所述在氮化處理后的襯底上生長GaN緩沖層，最好是將氮化處理后的襯底降溫至500 57(TC，再生長GaN緩沖層，所述隨后升溫最好是升溫至1030 1050°C保持恒溫5 15min，所述生長GaN緩沖層的壓力最好為200 800Torr，載氣流量最好為10 30L/min， TMGa流量最好為20 120 ii mol/min， NH3流量最好為80 120mol/min。
在步驟3)中，所述生長第l摻硅GaN層的溫度可為950 IIO(TC，壓力最好為100 300Torr，載氣流量最好為5 20L/min， TMGa流量最好為80 400 ii mol/min， NH3流量最好為120 500mol/min， SiH4流量最好為0. 2 2 ii mol/min。
在步驟4)中，所述生長5 10個(gè)周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層的溫度可為750 1060。C，壓力最好為300 400Torr，載氣流量最好為5 20L/min，NH3流量最好為120 500mol/min， TMGa流量最好為5 8 ii mol/min， n-AlGaN的TMA1流量最好為5 20 ii mol/min， SiH4流量最好為0. 3 2. 5 ii mol/min ;n-InGaN的TMIn流量最好為150 ii mol/min， SiH4流量最好為30 120nmol/min。 在步驟5)中，所述生長第2摻硅GaN層的溫度最好為950 IIO(TC，壓力最好為100 300Torr，載氣流量最好為5 20L/min， TMGa流量最好為80 400 ii mol/min， NH3流量最好為120 500mol/min， SiH4流量最好為0. 2 2 ii mol/min。 在步驟6)中，所述生長5個(gè)周期的固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱最好是降溫至705 840°C，N2氣氛下生長5個(gè)周期的固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱，所述生長固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱的壓力最好為50 500Torr，載氣流量最好為5 20L/min，NH3流量最好為120 500mol/min，阱層生長溫度最好為705 840。C，TMGa流量最好為1 4iimol/min， TMIn流量最好為10 40 y mol/min，壘層的生長溫度最好為840°C，TMGa流量最好為10 40 ii mol/min。 在步驟7)中，所述分別生長摻鎂AlGaN層和摻鎂GaN層的溫度最好為950 IIO(TC ，所述生長摻鎂AlGaN層和摻鎂GaN層的壓力最好為50 200Torr，載氣流量最好為5 20L/min， TMGa流量最好為20 50 ii mol/min， TMA1流量最好為2 5 ii mol/min， NH3流量最好為120 500mol/min， Cp2Mg流量最好為0. 5 ii mol/min。 在步驟8)中，所述生長5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層，最好是p-InGaN層的生長溫度最好為770°C ， p-AlGaN層的生長溫度最好為800°C ，所述生長5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層的壓力最好為300 400Torr，載氣流量最好為5 20L/min，NH3流量最好為120 500mol/min， p-InGaN的TMGa流量最好為5 8 ii mol/min， TMIn流量最好為100 200 ii mol/min， Cp2Mg流量最好為100nmol/min ;p-AlGaN的TMGa流量最好為20 50 ii mol/min， TMA1流量最好為5 10 u mol/min， Cp2Mg流量最好為260翻l/min。
在步驟IO)中，所述將外延片退火最好在700 85(TC的N2氣氛中退火10 30min。 本發(fā)明的Ga、In、Mg、N、Si源分別為三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMA1)、二茂鎂(Cp2Mg)、氨氣(NH3)和硅烷(SiH4)。 本發(fā)明利用n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n_GaN超晶格中的Si的低激活能，以提高n型材料的電子濃度；利用n型超晶格的極化效應(yīng)，導(dǎo)致Si的摻雜濃度提高，并且在n-GaN表面形成二維電子氣，提高n-GaN表面電子濃度，以降低比接觸電阻。同時(shí)，由于ICP對AlGaN、 InGaN、 GaN具有較高的刻蝕選擇性，利用n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層中的n-AlGaN作為ICP刻蝕終止層，可以更加精確地控制GaN的刻蝕速率和厚度。所有樣品均在Thomas Swan 3*2CCS LP-MOCVD設(shè)備中生長，用N2和H2混合氣作為載氣，進(jìn)行該GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的外延生長，整個(gè)生長壓力控制在50 800Torr之間。
由此可見，與現(xiàn)有的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是由于本發(fā)明采用n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN短周期超晶格作為n型接觸層和刻蝕終止層，因此不僅可以提高表面電子濃度，降低比接觸電阻，而且可以精確控制ICP刻蝕GaN的速率和厚度。另外，選用超晶格結(jié)構(gòu)作為n型接觸層有利于提高器件電學(xué)性能，并且簡化器件后續(xù)的制作工藝，如刻蝕、電極、腔面等。


圖1為n-AlGaN/n-InGaN和n-AlGaN/n-GaN兩種超晶格結(jié)構(gòu)的能帶圖。其中圖(a)為n-AlGaN/n-InGaN SLs，圖(b)為n-AlGaN/n-GaN SLs ;能帶分別為Ec， EF， Ev。
圖2為本發(fā)明GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中標(biāo)號(hào)1所示為(0001)面藍(lán)寶石襯底，標(biāo)號(hào)2所示為GaN緩沖層，標(biāo)號(hào)3所示為第1摻硅GaN層，標(biāo)號(hào)4所示為5 10個(gè)周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層，標(biāo)號(hào)5所示為第2摻硅GaN層，標(biāo)號(hào)6所示為5個(gè)周期的固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱，標(biāo)號(hào)7所示為摻鎂AlGaN層，標(biāo)號(hào)8所示為摻鎂GaN層，標(biāo)號(hào)9所示為5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層，標(biāo)號(hào)10所示為p-InGaN蓋層。 圖3為本發(fā)明GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管激光剝離藍(lán)寶石襯底的示意圖。其中標(biāo)號(hào)11所示為金屬過渡層，標(biāo)號(hào)12所示為p型高導(dǎo)硅襯底，其它標(biāo)號(hào)1 10與圖2相同；Pulse Laser的入=248nm。 圖4為本發(fā)明GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管轉(zhuǎn)移至硅襯底后ICP刻蝕N面GaN和第l摻硅GaN層的示意圖。其中標(biāo)號(hào)2 12與圖2和3相同。 圖5為本發(fā)明GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。其中標(biāo)號(hào)13所示為n電極，標(biāo)號(hào)14所示為p電極，其它標(biāo)號(hào)4 12與圖2和3相同。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例均采用Thomas Swan 3*2CCS LP-MOCVD設(shè)備進(jìn)行外延生長，對外延片樣品給出4個(gè)實(shí)施例。
實(shí)施例1 1)將免清洗的(0001)面藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，在H2氣氛下加熱至105(TC烘烤20min，降溫到50(TC對襯底氮化處理150s，反應(yīng)室壓力為50Torr。 2)在500。C下生長厚度為15nm的GaN緩沖層，生長壓力為200Torr，載氣流量為10L/min，TMGa流量為20 ii mol/min， NH3流量為80mol/min ;隨后升溫至1030。C保持15min，使GaN緩沖層重新結(jié)晶。 3)在95(TC下生長0. liim的第1摻硅GaN層，生長壓力為100Torr，載氣流量為5L/min， TMGa的流量為80 u mol/min， NH3流量為120 u mol/min， SiH4流量為0. 2翻l/min。
4)接著降溫生長5個(gè)周期的n-AlGaN/n-InGaN超晶格層，其中n-AlGaN層生長溫度為8Q0。C ，生長壓力為300Torr，生長厚度為4nm，生長時(shí)間為40s，MV流量為120mol/min，
8SiH4流量為0. 3nmol/min， TMAl流量為5 u mol/min， TMGa流量為5 u mol/min，而n_InGaN層生長溫度為75(TC，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為15s，生長壓力為300Torr， NH3流量為120 ii mol/min， SiH4流量為30翻l/min， TMIn流量為150 u mol/min， TMGa流量為5 u mo1/miru 5)在950。C下生長厚度為1.5iim的第2摻硅GaN層，生長壓力為100Torr，載氣流量為5L/min，TMGa流量為80 u mol/min， NH3流量為120mol/min， SiH4流量為0. 2nmol/min。
6)在N2氣氛下生長5個(gè)周期的固定組份InGaN/GaN量子阱。阱層為InGaN，厚度為2nm，生長壓力為50Torr， TMGa流量為1 ii mol/min， TMIn流量為10 ii mol/min， NH3流量為120mol/min，生長溫度為705°C ;壘層為GaN，厚度為5nm， TMGa流量為10 y mol/min， NH3流量為120mol/min，生長溫度為840°C 。 7)在95(TC下分別生長厚度為0. 1 ii m的摻鎂AlGaN層和0. 2 y m的摻鎂GaN層，生長壓力為50Torr， TMGa流量為20 ii mol/min， TMA1流量為2 ii mol/min， NH3流量為120mol/min， Cp2Mg流量為0. 5 u mol/min。 8)在摻鎂GaN層上降溫生長5個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格層，生長壓力為300Torr， NH3流量為120 y mol/min，其中p-InGaN層生長溫度為770°C ，生長厚度為2nm，生長時(shí)間為10s， Cp2Mg流量為100nmol/min， TMIn流量為100 ii mol/min， TMGa流量為5 ii mol/min，而p-AlGaN層生長溫度為800°C ，生長厚度為2nm，生長時(shí)間為20s， Cp2Mg流量為260翻l/min， TMA1流量為5 u mol/min， TMGa流量為20 u mol/min。
9)在5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層上再生長p-InGaN蓋層，p-InGaN蓋層的厚度為2nm，生長溫度為77(TC，生長壓力為300Torr，生長時(shí)間為10s， NH3流量為120 ii mol/min，Cp2Mg流量為100nmol/min， TMIn流量為100 u mol/min， TMGa流量為5 u mo1/miru 10)最后，將外延片在70(TC的N2氣氛中退火30min，得GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極
管外延片。 實(shí)施例2 1)將免清洗的(0001)面藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，在H2氣氛下加熱至IIO(TC烘烤15min，降溫到90(TC對襯底氮化處理100s，反應(yīng)室壓力為50Torr。 2)在53(TC下生長厚度為25nm的GaN緩沖層，生長壓力為300Torr，載氣流量為15L/min，TMGa流量為50 ii mol/min， MV流量為100mol/min ;隨后升溫至1040。C保持10min，使GaN緩沖層重新結(jié)晶。 3)在IOO(TC下生長O. 2iim的第l摻硅GaN層，生長壓力為150Torr，載氣流量為15L/min， TMGa的流量為300 u mol/min， NH3流量為300 u mol/min， SiH4流量為lnmol/min。
4)接著降溫生長6個(gè)周期的n-AlGaN/n-InGaN超晶格層，其中n-AlGaN層生長溫度為850°C ，生長壓力為300Torr，生長厚度為4nm，生長時(shí)間為35s，MV流量為250mol/min，SiH4流量為lnmol/min， TMA1流量為15 u mol/min， TMGa流量為6 u mol/min，而n-InGaN層生長溫度為77(TC，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為15s，生長壓力為350Torr， NH3流量為250 ii mol/min， SiH4流量為80翻l/min， TMIn流量為150 u mol/min， TMGa流量為6 u mo1/ 5)在100(TC下生長厚度為2iim的第2摻硅GaN層，生長壓力為150Torr，載氣流量為15L/min，TMGa流量為300 u mol/min， NH3流量為300mol/min， SiH4流量為lnmol/min。
6)在N2氣氛下生長5個(gè)周期的漸變組份InGaN/GaN量子阱。阱層為InGaN，厚度為2. 5nm，生長壓力為100Torr， TMGa流量為3 ii mol/min， TMIn流量為20 ii mol/min， NH3流量為250mol/min，生長溫度在120s時(shí)間內(nèi)從705"逐漸升至840°C ;壘層為GaN，厚度為10nm， TMGa流量為20 ii mol/min， NH3流量為250mol/min，生長溫度為840°C 。
7)在105(TC下分別生長厚度為0. 13 ii m的摻鎂AlGaN層和0. 24 ii m的摻鎂GaN層，生長壓力為100Torr， TMGa流量為40 ii mol/min， TMAl流量為4 ii mol/min， NH3流量為400mol/min， Cp2Mg流量為0. 5 u mol/min。 8)在摻鎂GaN層上降溫生長5個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格層，生長壓力為380Torr， NH3流量為350 y mol/min，其中p-InGaN層生長溫度為770。C，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為12s， Cp2Mg流量為100nmol/min， TMIn流量為150 ii mol/min， TMGa流量為6 ii mol/min，而p-AlGaN層生長溫度為800°C ，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為25s， Cp2Mg流量為260nmol/min， TMAl流量為7 u mol/min， TMGa流量為40 u mol/min。
9)在5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層上再生長p-InGaN蓋層，p-InGaN蓋層的厚度為2. 5nm，生長溫度為770。C，生長壓力為380Torr，生長時(shí)間為10s， NH3流量為200 ii mol/min，Cp2Mg流量為100翻l/min， TMIn流量為150 u mol/min， TMGa流量為6 u mo1/miru 10)最后，將外延片在80(TC的N2氣氛中退火20min，得GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極
管外延片。 實(shí)施例3 1)將免清洗的(0001)面藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，在H2氣氛下加熱至115(TC烘烤10min，降溫到70(TC對襯底氮化處理120s，反應(yīng)室壓力為50Torr。 2)在550。C下生長厚度為20nm的GaN緩沖層，生長壓力為500Torr，載氣流量為20L/min， TMGa流量為100 y mol/min， NH3流量為110mol/min ;隨后升溫至1040。C保持10min，使GaN緩沖層重新結(jié)晶。 3)在1050。C下生長0. 15 ii m的第1摻硅GaN層，生長壓力為200Torr，載氣流量為10L/min， TMGa的流量為200 ii mol/min，NH3流量為400 ii mol/min， SiH4流量為1. 5nmo1/miru 4)接著生長8個(gè)周期的n-AlGaN/n-GaN超晶格層，其中n-AlGaN層生長溫度為1030。C，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為22s，生長壓力為300Torr， NH3流量為400 y mol/min，SiH4流量為1. 5翻l/min， TMA1流量為10 u mol/min， TMGa流量為7 u mol/min，而n-GaN層生長溫度為95(TC，生長壓力為300Torr，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為5s， NH3流量為400mol/min， SiH4流量為lnmol/min， TMGa流量為100 u mol/min。 5)在105(TC下生長厚度為2. 5iim的第2摻硅GaN層，生長壓力為200Torr，載氣流量為10L/min， TMGa的流量為200 ii mol/min， NH3流量為400 ii mol/min， SiH4流量為1. 5nmol/min。 6)在N2氣氛下生長5個(gè)周期的固定組份InGaN/GaN量子阱。阱層為InGaN，厚度為3nm，生長壓力為200Torr， TMGa流量為2 ii mol/min， TMIn流量為30 ii mol/min， NH3流量為450mol/min，生長溫度為7Q5。C ;壘層為GaN，厚度為15nm， TMGa流量為30 y mol/min， NH3流量為450mol/min，生長溫度為840°C 。 7)在IOO(TC下分別生長厚度為0. 17 ii m的摻鎂AlGaN層和0. 28 ii m的摻鎂GaN層，生長壓力為150Torr， TMGa流量為30 ii mol/min， TMAl流量為3 ii mol/min， NH3流量為250mol/min， Cp2Mg流量為0. 5 u mol/min。 8)在摻鎂GaN層上降溫生長5個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格層，生長壓力為350Torr， NH3流量為200 y mol/min，其中p-InGaN層生長溫度為770。C，生長厚度為4nm，生長時(shí)間為12s， Cp2Mg流量為100nmol/min， TMIn流量為180 ii mol/min， TMGa流量為7 ii mol/min，而p-AlGaN層生長溫度為800°C ，生長厚度為5nm，生長時(shí)間為25s， Cp2Mg流量為260nmol/min， TMAl流量為8 u mol/min， TMGa流量為30 u mol/min。
9)在5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層上再生長p-InGaN蓋層，p-InGaN蓋層的厚度為2. 8nm，生長溫度為770。C，生長壓力為350Torr，生長時(shí)間為10s， NH3流量為200 u mol/min，Cp2Mg流量為100nmol/min， TMIn流量為180 u mol/min， TMGa流量為7 u mo1/miru 10)最后，將外延片在75(TC的^氣氛中退火25min，得GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極
管外延片。 實(shí)施例4 1)將免清洗的(0001)面藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，在H2氣氛下加熱至120(TC烘烤5min，降溫到IOO(TC對襯底氮化處理60s，反應(yīng)室壓力為50Torr。 2)570。C下生長厚度為30nm的GaN緩沖層，生長壓力為800Torr，載氣流量為30L/min， TMGa流量為120 ii mol/min， NH3流量為120mol/min ;隨后升溫至1050。C保持5min，使
GaN緩沖層重新結(jié)晶。 3)在IIO(TC下生長O. 3iim的第l摻硅GaN層，生長壓力為300Torr，載氣流量為20L/min， TMGa的流量為400 u mol/min， NH3流量為500 u mol/min， SiH4流量為2翻l/min。
4)接著降溫生長10個(gè)周期的n-AlGaN/n-GaN超晶格層，其中n-AlGaN層生長溫度為1060。C，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為20s，生長壓力為400Torr，NH3流量為500iimo1/min， SiIV流量為2. 5nmol/min， TMA1流量為20 u mol/min， TMGa流量為8 u mol/min，而n-GaN層生長溫度為IOO(TC，生長壓力為400Torr，生長厚度為3nm，生長時(shí)間為5s， NH3流量為500mol/min， SiH4流量為lnmol/min， TMGa流量為100 u mol/min。 5)在110(TC下生長厚度為3iim的第2摻硅GaN層，生長壓力為300Torr，載氣流量為20L/min， TMGa的流量為400 ii mol/min， NH3流量為500 ii mol/min， SiH4流量為2nmo1/miru 6)在N2氣氛下生長5個(gè)周期的漸變組份InGaN/GaN量子阱。阱層為InGaN，厚度為4nm，生長壓力為300Torr， TMGa流量為4 ii mol/min， TMIn流量為40 ii mol/min， NH3流量為500mol/min，生長溫度在180s時(shí)間內(nèi)從705。C逐漸升至840°C ;壘層為GaN，厚度為20nm，TMGa流量為40 y mol/min， NH3流量為500mol/min，生長溫度為840°C 。
7)在IIO(TC下分別生長厚度為0. 2iim的摻鎂AlGaN層和0. 3iim的摻鎂GaN層，生長壓力為200Torr， TMGa流量為50 ii mol/min， TMA1流量為5 ii mol/min， NH3流量為500mol/min， Cp2Mg流量為0. 5 u mol/min。 8)在摻鎂GaN層上降溫生長5個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格層，生長壓力為400Torr， NH3流量為500 y mol/min，其中p-InGaN層生長溫度為770。C，生長厚度為5nm， 生長時(shí)間為15s， Cp2Mg流量為100nmol/min， TMIn流量為200 ii mol/min， TMGa流量為 8 ii mol/min，而p-AlGaN層生長溫度為800°C ，生長厚度為7nm，生長時(shí)間為30s， Cp2Mg流量 為260翻l/min， TMA1流量為10 u mol/min， TMGa流量為50 u mol/min。
9)在5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層上再生長p-InGaN蓋層，p-InGaN 蓋層的厚度為3nm，生長溫度為77(TC，生長壓力為400Torr，生長時(shí)間為10s， NH3流量為 200 ii mol/min，Cp2Mg流量為100翻l/min， TMIn流量為200 ii mol/min， TMGa流量為8 ii mo1/ miru 10)最后，將外延片在85(TC的N2氣氛中退火lOmin，得GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極 管外延片。
( 二 )GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備工藝
1 、 GaN-LED外延片預(yù)處理 (1)常規(guī)清洗將外延片依次用甲苯、丙酮、乙醇超聲清洗10min，冷熱去離子水各
沖洗5min。將樣品放入王水中煮沸10min，然后用冷熱去離子水各沖洗5min。 (2)氮?dú)獯蹈伞?(3)烘箱中烘2h，備用。 2、硅片預(yù)處理 (1)標(biāo)準(zhǔn)清洗將硅片依次用III號(hào)液煮沸10min，熱去離子水沖洗10遍，后沖去 離子水5遍；放入HF : H20 = 1 : 20的溶液中浸泡4min，然后熱去離子水沖洗15遍，后 冷去離子水沖洗15遍。I號(hào)液煮沸10min，熱去離子水沖洗10遍，后沖去離子水5遍；放入 HF : H20 = 1 : 20的溶液中浸泡2min，然后熱去離子水沖洗15遍，后冷去離子水沖洗15 遍。II號(hào)液煮沸10min，熱去離子水沖洗15遍，后沖去離子水15遍。
(2)氮?dú)獯蹈?，備用?
3、蒸鍍金屬過渡層在GaN-LED外延片表面用電子束蒸鍍Ni/Au (5nm/5nm)，合金，然后再蒸鍍Ag/Ni/ Au (150nm/10nm/200nm)。在硅片表面蒸鍍Ti/Au (40nm/200nm)。
4、鍵合將GaN-LED外延片和硅片面對面貼合裝入AWB04鍵合機(jī)，在溫度420°C 、壓力100N 條件下處理lh。
5、激光剝離將鍵合好的片子固定在電動(dòng)平臺(tái)上，用波長為A = 248nm、占空比為30X的KrF
準(zhǔn)分子脈沖激光器輻照藍(lán)寶石襯底。
6、ICP刻蝕 將轉(zhuǎn)移襯底的GaN-LED外延膜以Cl/Ar/02為ICP等離子體源刻蝕掉N面GaN緩
沖層和第1摻硅GaN層。 7、光刻。 8、蒸鍍n、p電極 在n型超晶格頂層和硅襯底背面分別蒸鍍金屬Ti/Al/Ni/ Au(20nm/20nm/20nm/200nm)禾口 Al(200nm)。
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9、剝離。
10、合金。
權(quán)利要求
一種GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于，從下到上依次為藍(lán)寶石襯底、低溫GaN緩沖層、第1摻硅GaN層、5～10個(gè)周期的n-InGaN/n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層、第2摻硅GaN層、5個(gè)周期的固定或漸變組分InGaN/GaN量子阱、摻鎂AlGaN層、摻鎂GaN層、5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層、p-InGaN蓋層；所述GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管還設(shè)有p電極和n電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，其特征在于， 所述藍(lán)寶石襯底采用(0001)面藍(lán)寶石襯底，電阻率為10—2 10—3 Q cm ;所述GaN緩沖層的厚度為15 30nm ;所述第1摻硅GaN層的厚度為0. 1 0. 3 y m ;所述第2摻硅GaN 層的厚度為1. 5 3 ii m ;所述摻鎂AlGaN層的厚度為0. 1 0. 2 y m，所述摻鎂GaN層的厚 度為0. 2 0. 3 ii m ;所述5個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格的總厚度為20 60nm，其中每 個(gè)周期p-InGaN/p-AlGaN超晶格層中的p-InGaN層的厚度為2 5nm，每個(gè)周期p-InGaN/ p-AlGaN超晶格層中的p-AlGaN層的厚度為2 7nm ;所述p-InGaN蓋層的厚度為2 3nm。
3. 如權(quán)利要求1所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 包括以下步驟1) 將藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，對襯底依次進(jìn)行熱處理和氮化處理；2) 在氮化處理后的襯底上生長GaN緩沖層，隨后升溫，使GaN緩沖層重新結(jié)晶；3) 生長第l摻硅GaN層；4) 生長5 10個(gè)周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層；5) 生長第2摻硅GaN層；6) 生長5個(gè)周期的固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱；7) 分別生長摻鎂AlGaN層和摻鎂GaN層；8) 生長5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層；9) 在5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層上再生長p-InGaN蓋層；10) 最后，將外延片退火，得GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管。
4. 如權(quán)利要求3所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 在步驟1)中，所述熱處理在H2氣氛下加熱至1050 120(TC對襯底進(jìn)行熱處理5 20min，所述氮化處理是將熱處理后的襯底降溫到500 IOO(TC再對襯底進(jìn)行氮化處理 60 150s。
5. 如權(quán)利要求3所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 在步驟2)中，所述在氮化處理后的襯底上生長GaN緩沖層，是將氮化處理后的襯底降溫至500 570°C ，再生長GaN緩沖層，所述隨后升溫是升溫至1030 105(TC保持恒溫5 15min，所述生長GaN緩沖層的壓力為200 800Torr，載氣流量為10 30L/min， TMGa流 量為20 120 ii mol/min， NH3流量為80 120mol/min。
6. 如權(quán)利要求3所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 在步驟3)中，所述生長第1摻硅GaN層的溫度為950 IIO(TC ，壓力為100 300Torr，載氣流量為5 20L/min， TMGa流量為80 400 ii mol/min， NH3流量為120 500mol/min， SiH4流量為0. 2 2 ii mol/min ;在步驟5)中，所述生長第2摻硅GaN層的溫度為950 1 IO(TC ，壓力為100 300Torr ，載氣流量為5 20L/min，TMGa流量為80 400 ii mol/min，NH3流量為120 500mol/min， SiH4流量為0. 2 2 li mol/min。
7.如權(quán)利要求3所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 在步驟4)中，所述生長5 10個(gè)周期的n-AlGaN/n-InGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格 層的溫度為750 1060。C，壓力為300 400Torr，載氣流量為5 20L/min， NH3流量為 120 500mol/min， TMGa流量為5 8 ii mol/min， n-AlGaN的TMA1流量為5 20 ii mol/ min， SiH4流量為0. 3 2. 5 u mol/min ;n—InGaN的TMIn流量為150 u mol/min， SiH4流量為 30 120nmol/min。
8. 如權(quán)利要求3所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 在步驟6)中，所述生長5個(gè)周期的固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱是降溫至705 840°C， N2氣氛下生長5個(gè)周期的固定或漸變組份InGaN/GaN量子阱，所述生長固定或漸變 組份InGaN/GaN量子阱的壓力為50 500Torr，載氣流量為5 20L/min， NH3流量為120 500mol/min，阱層生長溫度為705 840°C ， TMGa流量為1 4 ii mol/min， TMIn流量為10 40iimol/min，壘層的生長溫度為840°C， TMGa流量為10 40iimol/min。
9. 如權(quán)利要求3所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 在步驟7)中，所述分別生長摻鎂AlGaN層和摻鎂GaN層的溫度為950 IIO(TC，所述生長摻鎂AlGaN層和摻鎂GaN層的壓力為50 200Torr，載氣流量為5 20L/min， TMGa 流量為20 50 mol/min， TMA1流量為2 5 u mol/min， NH3流量為120 500mol/min， Cp2Mg流量為0. 5 mol/min。
10. 如權(quán)利要求3所述的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 在步驟8)中，所述生長5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層，是p-InGaN層的生長溫度為770°C， p-AlGaN層的生長溫度為80(TC，所述生長5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超 晶格層的壓力為300 400Torr，載氣流量為5 20L/min，NH3流量為120 500mol/min， p-InGaN的TMGa流量為5 8 ii mol/min， TMIn流量為100 200 ii mol/min， Cp2Mg流量為 100翻l/min ;p-AlGaN的TMGa流量為20 50 ii mol/min， TMA1流量為5 10 ii mol/min， Cp2Mg流量為260nmol/min ;在步驟10)中，所述將外延片退火在700 85(TC的N2氣氛中退火10 30min。
全文摘要
一種GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管及其制備方法，涉及一種發(fā)光二極管。從下到上依次為藍(lán)寶石襯底、低溫GaN緩沖層、第1摻硅GaN層、5～10個(gè)周期的n-InGaN/n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格層、第2摻硅GaN層、5個(gè)周期的固定或漸變組分InGaN/GaN量子阱、摻鎂AlGaN層、摻鎂GaN層、5個(gè)周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格層、p-InGaN蓋層。將藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，對襯底依次進(jìn)行熱處理和氮化處理后依次生長GaN緩沖層至p-InGaN蓋層，退火后得GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管。
文檔編號(hào)H01L33/04GK101789473SQ20101011602
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日
發(fā)明者劉寶林, 李曉瑩 申請人:廈門大學(xué)