專利名稱：基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種GaN外延片結構，尤其是一種基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，屬于外延片的技術領域。
技術背景用于GaN生長最普遍的襯底是藍寶石襯底；其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟。使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，導熱性能不好。尤其是藍寶石的導熱性能不好(在100°c約為25W/ Cm · K))，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，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。通常LED采用藍寶石作為襯底，而LED的核心部件如芯片、熒光粉等均對溫度敏感，如散熱不良，將導致LED芯片的結溫升高，從而直接影響LED器件的性能，如出射光發(fā)生紅移、發(fā)光效率降低、熒光粉加速老化以及芯片壽命縮短甚至失效等。而與導熱性差的藍寶石襯底相比，AlN陶瓷襯底卻具有高的熱導率(高于180W/m*K)，同時又具備適宜的熱膨脹系數(shù)。而且AlN陶瓷襯底具有良好的電氣絕緣性能和電磁相容性，機械性能優(yōu)良，并耐腐蝕、物理化學性能穩(wěn)定，晶體常數(shù)GaN晶體接近，可有效減少界面熱應力。AlN襯底在GaN生長領域沒有被應用的原因主要有兩條1、A1N襯底的制作還處于實驗室研發(fā)階段，制作此類襯底成本高昂。直到2008年美國紐約的Crystal IS公司才提供了世界上第一片2英寸的AlN單晶襯底，不過表面僅有50%的單晶使用面積。目前國內僅有少量研究單位在實驗室制備過AlN陶瓷襯底。2、使用AlN襯底生長GaN單晶材料在技術上實現(xiàn)起來比較困難。
發(fā)明內容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其結構簡單緊湊，提高外延片的導熱性能及發(fā)熱效率，機械性能優(yōu)良，耐腐蝕，延長通過外延片制備LED器件的使用壽命，穩(wěn)定可靠。按照本實用新型提供的技術方案，所述基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，包括AlN陶瓷襯底及生長于AlN陶瓷襯底上的緩沖層，所述緩沖層上生長有GaN LED結構層。所述AlN陶瓷襯底的厚度為50mnT300mm，AlN陶瓷襯底的晶相為〈001〉、〈111〉、〈110〉的單晶體或多晶體。所述AlN陶瓷襯底為多晶體時，AlN陶瓷襯底與緩沖層間設置有晶相為〈001〉的單晶取向層或類單晶取向層。所述緩沖層的厚度為IOnnTlOOnm ;緩沖層為GaN層、AlN緩沖層、AlxGa1^xN層、InxGa1^N 層或 AlxInyGa1^N 層；其中，x 為 O. θΓθ. 99，y 為 O. θΓθ. 99。所述GaN LED結構層包括生長于緩沖層上的非摻雜GaN層、所述非摻雜GaN層上生長有N型氮化鎵層，所述N型氮化鎵層上生長有多量子阱層，所述多量子阱層上生長有P型鋁鎵氮層，所述P型鋁鎵氮層上生長有P型氮化鎵層。所述非摻雜GaN層與N型氮化鎵層間設置DBR層，所述DBR層生長于非摻雜GaN層上。所述P型氮化鎵層上生長有粗化層。所述DBR層為AlmGai_mN、GaN的周期結構，所述周期是I 100，m范圍是O. θΓθ. 99。本實用新型的優(yōu)點采用AlN陶瓷襯底， 并在AlN陶瓷襯底上設置緩沖層，通過生長緩沖層后在AlN陶瓷襯底上通過MOCVD常規(guī)工藝制備得到GaN LED結構層，工藝步驟簡單方便，能大大提高GaN LED晶體質量，同時可以在GaNLED結構層內設置DBR層及粗化層，以提高通過GaN LED結構層得到LED工作時的出光效率，通過AlN陶瓷襯底能提高導熱性能，結構簡單緊湊，工藝簡單，機械性能優(yōu)良，耐腐蝕，延長通過外延片制備LED器件的使用壽命，穩(wěn)定可靠。

圖I為本實用新型的結構示意圖。圖2為本實用新型在非摻雜GaN層與N型氮化鎵層間設置DBR層的結構示意圖。圖3為在P型氮化鎵層上生長粗化層的結構示意圖。附圖標記說明11_多量子阱層、12-DBR層、IOl-AlN陶瓷襯底、102-緩沖層、103-非摻雜GaN層、104-N型氮化鎵層、105-P型鋁鎵氮層、106-P型氮化鎵層及107-粗化層。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖I所示為了能夠使得LED結構能夠具有較好的導熱性能，延長相應LED的使用壽命，本實用新型包括GaN LED結構層，其中，GaN LED結構層位于AlN陶瓷襯底101，為了能夠使得AlN陶瓷襯底101上能夠生長GaN LED結構層，AlN陶瓷襯底101上生長有緩沖層102，所述GaN LED結構層生長于緩沖層102上，通過AlN陶瓷襯底101的導熱性能，提高GaN LED結構層的導熱性能，同時AlN陶瓷襯底101與GaN LED結構層間具有較低的界面熱應力；GaN LED結構層與現(xiàn)有LED結構中的結構層結構一致。所述AlN陶瓷襯底101的厚度為50mnT300mm，AlN陶瓷襯底101的晶相為〈001〉、〈111>、〈110>的單晶體或多晶體。當所述AlN陶瓷襯底101為多晶體時，AlN陶瓷襯底101與緩沖層102間設置有單晶取向層或類單晶取向層。在AlN陶瓷襯底101上設置單晶取向層及類單晶取向層為常規(guī)的做法，單晶取向層或類單晶取向層的晶相為〈001〉，通過單晶取向層或類單晶取向層后能夠使得AlN陶瓷襯底101為生長緩沖層102的基礎。所述緩沖層102的厚度為IOnnTlOOnm ;緩沖層102為GaN層、AlN緩沖層、AlxGa1J層、InxGahN 層或 AlxInyGamN 層；其中，x 為 O. OI O. 99，y 為 O. OI O. 99。所述GaN LED結構層包括生長于緩沖層102上的非摻雜GaN層103、所述非摻雜GaN層103上生長有N型氮化鎵層104，所述N型氮化鎵層104上生長有多量子阱層11，所述多量子阱層11上生長有P型鋁鎵氮層105，所述P型鋁鎵氮層為P型AlzGa1=N, z范圍是O. θΓθ. 35，所述P型鋁鎵氮層105上生長有P型氮化鎵層106。所述非摻雜GaN層103的厚度為 50(T2000nm。如圖2所示為提高GaN LED結構層的出光效率，在非摻雜GaN層103與N型氮化鎵層104間設有DBR (分布式布拉格反射鏡，Distributed BraggReflector)層12,所述DBR層12是AlmGai_mN、GaN的周期結構，所述周期是I 100，AlmGai_mN中m代表Al的摩爾濃度，m范圍是O. OfO. 99 ;所述周期結構為通過生長多個周期得到的結構。通過DBR層12能夠使得GaN LED結構層在外部電壓作用下發(fā)光時，降低AlN陶瓷襯底101對光的吸收，提高出光效率。如圖3所示為提高GaN LED結構層的出光效率，本實用新型實施例中還可以在P型氮化鎵層106上生長粗化層107，所述粗化層107的表面 可以是光滑的，反射率在16%以上，或粗化層107的表面可以是粗糙的，粗糙表面反射率在5%以下。所述粗化層107可以通過在650°C "850°C的溫度下低溫生長P型GaN獲得的，也可以由Cp2Mg和NH3反應生成Mg和N的化合物獲得粗糙的表面。如圖I所示上述基于AlN陶瓷襯底101的GaN外延片結構可以通過下述工藝制備，整個工藝過程采用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD, Metalorganic Chemical VaporDeposition)生長工藝，襯底選用〈001〉晶相的AlN陶瓷襯底101，金屬有機源和氮源分別是三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)，n型摻雜劑為200ppm的H2攜載的硅烷(SiH4),P型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg);所述MOCVD的工藝條件均為本技術領域人員所熟知，具體為a、提供AlN陶瓷襯底101，并將所述AlN陶瓷襯底101在1050°C 1250°C的!12氛圍下高溫凈化5 10分鐘；以在H2氛圍下將上述高溫凈化后的AlN陶瓷襯底101降溫至500°C飛00°C，并利用MOCVD工藝在AlN陶瓷襯底101上緩沖層102 ；C、在上述緩沖層102上通過MOCVD工藝生長GaN LED結構層。由于GaN LED結構層的制備過程與現(xiàn)有采用藍寶石襯底生長獲得GaNLED結構層的步驟及條件一致，本實用新型實施例通過下述步驟介紹相應的步驟，整個GaN LED結構層的詳細制備過程為本技術領域人員所熟知；具體地包括Cl、在H2氛圍下，將生長有緩沖層102的AlN陶瓷襯底101環(huán)境溫度升至IOOO0C 1200°C，并在緩沖層102上生長非摻雜GaN層103 ；c2、在上述AlN陶瓷襯底101上生長N型氮化鎵層104，所述N型氮化鎵層104覆蓋于非摻雜GaN層103 ；c3、在上述AlN陶瓷襯底101放置于N2氛圍下并使溫度為740°C 860°C，以在N型氮化鎵層104上生長5 15個周期結構的量子阱層，以形成多量子阱層11 ；c4、將上述陶瓷襯底101再次放置于H2氛圍下并使溫度為450°C 1000°C，在多量子阱層11上生長P型鋁鎵氮層105 ；c5、在上述P型鋁鎵氮層105上生長P型氮化鎵層106。當通過步驟c獲得GaN LED結構層后，如果需要制備相應的LED時，只需要通過常規(guī)LED電極制備工藝在GaN LED結構層上制備出P電極與N電極即可。下面通過幾個具體的實施例來說明本實用新型基于AlN陶瓷襯底101的GaN外延片結構制備過程。[0038]實施例I、采用MOCVD工藝制備，步驟I、將〈001〉晶相的AlN陶瓷襯底101放入反應室中，然后在H2環(huán)境中升溫至10500C，穩(wěn)定10分鐘，對AlN陶瓷襯底101進行高溫凈化；步驟2、生長20nm厚度的低溫GaN基層，以作為生長于AlN陶瓷襯底101的緩沖層102 ;步驟3、在緩沖層102上生長I μ m厚度的非摻雜氮化鎵103 ;步驟4、生長I. 5 μ m厚度的N型氮化鎵104 ;步驟5、在N2環(huán)境中生長得到10個周期的多量子阱層11，所述多量子阱層11內GaN壘層厚度為20nmln，GaN阱層厚度為1.6nm;步驟6、生長30nm厚度的P型Al。. 15GaQ.85N層，得到P型鋁鎵氮層105 ;步驟7、生長150nm厚度的P型氮化鎵層106 ;步驟8、降溫至室溫，生長結束。實施例2、采用MOCVD工藝制備，步驟I、將〈001〉晶相的AlN陶瓷襯底101放入反應室中，然后在H2環(huán)境中升溫至1050°C，穩(wěn)定10分鐘，對AlN陶瓷襯底101進行高溫凈化；步驟2、生長20nm厚度的低溫Ala2Gaa8N基層，以形成緩沖層102 ;步驟3、生長I μ m厚度的非摻雜氮化鎵103 ;步驟4、生長I. 5 μ m厚度的N型氮化鎵104 ;步驟5、在N2環(huán)境中生長得到10個周期的量子阱層，得到多量子阱層11，所述多量子阱層11內GaN壘層厚度為20nm，InGaN阱層厚度為I. 6nm ;步驟6、生長30nm厚度的ρ_Α1α 15Ga0.85N層，得到P型鋁鎵氮層105 ;步驟7、生長150nm厚度的P型氮化鎵106 ;步驟8、降溫至室溫，生長結束。實施例3、采用MOCVD工藝制備，步驟I、將〈001〉晶相的AlN陶瓷襯底101放入反應室中，然后在H2環(huán)境中升溫至1050°C，穩(wěn)定10分鐘，對AlN陶瓷襯底101進行高溫凈化；步驟2、生長20nm厚度的低溫GaN基層，以作為緩沖層102 ;步驟3、生長I μπι厚度的非摻雜氮化鎵103 ;步驟4、生長25個周期結構的AlQ.2GaQ.8N/GaN的DBR層12，其中每個周期Ala2Gaa8N的厚度47nm，GaN的厚度43nm ;步驟5、生長I. 5 μ m厚度的N型氮化鎵104 ;步驟6、在N2環(huán)境中生長10個周期的多量子阱層11，其中多量子阱層11內GaN壘層厚度為20nm，N型GaN阱層厚度為I. 6nm ；步驟7、生長50nm厚度的P-Alai5Gaa85N層，得到P型鋁鎵氮層105 ;步驟8、生長300nm厚度的P型氮化鎵106 ;步驟9、降溫至室溫，生長結束。實施例4、采用MOCVD工藝制備步驟I、將〈001〉晶相的AlN陶瓷襯底101放入反應室中，然后在H2環(huán)境中升溫至10500C，穩(wěn)定10分鐘，對AlN陶瓷襯底101進行高溫凈化；步驟2、生長20nm厚度的低溫GaN基層，以作為緩沖層102 ;步驟3、生長I μπι厚度的非摻雜氮化鎵103 ;步驟4、生長I. 5μπι厚度的N型氮化鎵104 ;步驟5、在N2環(huán)境中生長得到10個周期的多量子阱層11，其中多量子阱11內GaN壘層厚度為20nm，InGaN阱層的厚度為I. 6nm ;步驟6、生長50nm厚度的P-Alai5Gaa85N層，得到P型鋁鎵氮層105 ;步驟7、生長150nm厚度的P型氮化鎵106 ;步驟8、生長50nm的粗化的P型GaN結構，以得到粗化層107 ;步驟9、降溫至室溫，生長結束。實施例5、采用MOCVD工藝制備，步驟I、將多晶AlN陶瓷襯底101放入反應室中，然后在H2環(huán)境中升溫至1050°C，穩(wěn)定10分鐘，對AlN陶瓷襯底101進行高溫凈化；步驟2、生長IOnm厚度的〈001〉取相的類單晶取相層，并在類單晶取相層上生長20nm厚度的低溫GaN基層，以作為緩沖層102 ;步驟3、生長I μ m厚度的非摻雜氮化鎵103 ;步驟4、生長I. 5 μ m厚度的N型氮化鎵104 ;步驟5、在N2環(huán)境中生長得到10個周期的多量子阱層11，其中多量子阱層11內GaN壘層厚度為20nm, InGaN阱層厚度為I. 6nm ;步驟6、生長30nm厚度的ρ_Α1α 15GaQ.85N層，得到P型鋁鎵氮層105 ;步驟7、生長150厚度的P型氮化鎵106 ;步驟8、降溫至室溫，生長結束。如圖f圖3所示本實用新型采用AlN陶瓷襯底101，并在AlN陶瓷襯底101上設置緩沖層102，通過生長緩沖層102后在AlN陶瓷襯底101上通過MOCVD常規(guī)工藝制備得至IJ GaN LED結構層，工藝步驟簡單方便，能大大提高GaN LED晶體質量，同時可以在GaN LED結構層內設置DBR層12及粗化層107，以提高通過GaN LED結構層得到LED工作時的出光效率，通過AlN陶瓷襯底101能提高導熱性能，結構簡單緊湊，工藝簡單，機械性能優(yōu)良，耐腐蝕，延長通過外延片制備LED器件的使用壽命 ，穩(wěn)定可靠。
權利要求1.一種基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是包括AlN陶瓷襯底(101)及生長于AlN陶瓷襯底(101)上的緩沖層(102)，所述緩沖層(102)上生長有GaN LED結構層。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是所述AlN陶瓷襯底(101)的厚度為50mnT300mm，AlN陶瓷襯底(101)的晶相為〈001〉、〈111〉、〈110〉的單晶體或多晶體。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是所述AlN陶瓷襯底(101)為多晶體時，AlN陶瓷襯底(101)與緩沖層(102)間設置有晶相為〈001〉的單晶取向層或類單晶取向層。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是所述緩沖層(102)的厚度為 IOnnTlOOnm ;緩沖層(102)為 GaN 層、AlN 緩沖層、AlxGa1J 層、InxGa1J層或 AlxInyGa1TyN 層；其中，χ 為 O. θΓθ. 99，y 為 O. θΓθ. 99。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是所述GaNLED結構層包括生長于緩沖層(102)上的非摻雜GaN層(103)、所述非摻雜GaN層(103)上生長有N型氮化鎵層(104)，所述N型氮化鎵層(104)上生長有多量子阱層(11 )，所述多量子阱層(11)上生長有P型鋁鎵氮層(105)，所述P型鋁鎵氮層(105)上生長有P型氮化鎵層(106)。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是所述非摻雜GaN層(103)與N型氮化鎵層(104)間設置DBR層(12)，所述DBR層(12)生長于非摻雜GaN 層(103)上。
7.根據(jù)權利要求5所述的基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是所述P型氮化鎵層(106)上生長有粗化層(107)。
8.根據(jù)權利要求I所述的基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，其特征是所述DBR層(12)為AlmGaJGaN的周期結構，所述周期是I 100，m范圍是O. OI O. 99。
專利摘要本實用新型涉及一種基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，屬于外延片的技術領域。按照本實用新型提供的技術方案，所述基于AlN陶瓷襯底的GaN外延片結構，包括AlN陶瓷襯底及生長于AlN陶瓷襯底上的緩沖層，所述緩沖層上生長有GaNLED結構層。本實用新型采用AlN陶瓷襯底，并在AlN陶瓷襯底上設置緩沖層，通過生長緩沖層后在AlN陶瓷襯底上通過MOCVD常規(guī)工藝制備得到GaNLED結構層，工藝步驟簡單方便，能大大提高GaNLED晶體質量，同時可以在GaNLED結構層內設置DBR層及粗化層，以提高通過GaNLED結構層得到LED工作時的出光效率，通過AlN陶瓷襯底能提高導熱性能，結構簡單緊湊，工藝簡單，機械性能優(yōu)良，耐腐蝕，延長通過外延片制備LED器件的使用壽命，穩(wěn)定可靠。
文檔編號H01L33/00GK202585516SQ20122019835
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權日2012年5月4日
發(fā)明者郭文平, 王東盛, 鐘玉煌 申請人:江蘇新廣聯(lián)科技股份有限公司