GaN基发光二极管、其制备方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种GaN基发光二极管、其制备方法及应用。该发光二极管包括顺次叠设的第一N型GaN层、P型GaN层、多量子阱有源层以及第二N型GaN层，其中，第一N型GaN层生长在第一衬底上或第二N型GaN层连接在第二衬底上，以及第一或第二N型GaN层上还连接有透明导电层；其制备方法为：在第一衬底上生长设定缓冲层，再依次生长形成前述结构层；其后在第二N型GaN层上连接透明导电层，或者在第二N型GaN层上连接第二衬底，而将第一衬底剥离，并在第一N型GaN层上连接透明导电层。本发明半导体材料层的厚度小，生长时间短，生产效率高，且与透明导电电极接触的N型GaN层无需重掺杂，降低因为前述结构层重掺杂而对光的吸收，产品良率和发光效率高。
【专利说明】GaN基发光二极管、其制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明特别涉及一种改良设计的GaN基发光二极管、其制备方法及应用。
【背景技术】
[0002]GaN基LED因具有寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性而在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景，并已经成为半导体领域的研究热点之一。参阅图1所示系当前习见的标准GaN基LED,其制备工艺一般包括如下步骤:
(1)高温除杂:在高温条件下，向反应室内通入氢气,燃烧除去衬底表面的杂质,并对衬底表面进行处理；
(2)长缓冲层:降温，并在衬底上生长一层厚约300埃厚的GaN、AlN或InGaN缓冲层；
(3)退火:升温，将低温长的非晶GaN、AlN或InGaN缓冲层通过高温形成多晶GaN缓冲
层；
(4)长GaN单晶:在高温条件下，在GaN、AlN或InGaN缓冲层上生长一层厚约0.5 μ m?2 μ m的GaN单晶；
(5)长N型GaN(厚约1.5μπι?3μπι):在高温条件下，长GaN的同时掺Si (浓度5 —IO8/cm3)；
(6)长多量子阱MQW:降温，先长一层GaN(135埃左右)后，再长一层InGaN(厚约25埃)，接着长一层GaN (135埃左右)，这样连续长5到11个InGaN和GaN势阱势垒pair(160埃左右)，整个MQW厚约0.16 μ m，调整掺In的浓度可调整波长；
(7)长P型GaN(厚约0.2 μ m):首先，升温，长GaN的同时掺Mg (浓度约为5xl019/cm3)，长2000埃厚；其后，降温，长GaN的同时掺Mg (浓度约为lxl02°/cm3)，长150埃厚；而后，降温，再在N2下加热，打破Mg — H键，激活Mg的导电性；最后降温。
[0003]从结构和制备工艺两方面进行分析，前述GaN基LED —般具有如下缺陷:其一、半导体材料层的厚度一般在4-7微米，因此需要很长的工时进行生长，效率低下；其二，半导体材料层，尤其是P型GaN材料层中均需要高浓度的掺杂，其不仅操作不易，还会吸收光，从而降低LED的发光效率。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于提供一种具有改良设计的GaN基发光二极管，其能有效克服前述现有技术的不足。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种制备前述GaN基发光二极管的方法。
[0006]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种GaN基发光二极管,包括在选定缓冲层上顺次叠设的第一 N型GaN层、P型GaN层、多量子阱有源层以及第二 N型GaN层，
其中，所述第一 N型GaN层生长在第一衬底上或所述第二 N型GaN层连接在第二衬底
上， 以及，所述第一 N型GaN层或第二 N型GaN层上还连接有透明导电层。
[0007]作为优选的方案之一，所述第一 N型GaN层为N型掺杂GaN层，且其掺杂浓度于临近P型GaN层处最大。
[0008]作为优选的方案之一，所述P型GaN层为P型掺杂GaN层，且其掺杂浓度于临近第
一 N型GaN层处最大。
[0009]作为优选的方案之一，所述P型GaN层与多量子阱有源层之间还设有P型Al GaN层。
[0010]作为优选的方案之一，所述N型GaN层与多量子阱有源层之间还设有N型Al GaN层。
[0011]作为可选的实施方案，所述第二 N型GaN层粘接或键合在所述第二衬底上。
[0012]具体而言，所述第一衬底可选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底和GaN衬底中的任意一种，但不限于此。
[0013]所述第二衬底可选自Si衬底、金属衬底、氮化铝衬底中的任意一种，但不限于此。
[0014]所述透明导电层优选采用ITO或ZnO。
[0015]如上所述GaN基发光二极管的制备方法包括如下步骤:
(O提供一第一衬底；
(2)在所述第一衬底上生长形成选定的缓冲层，其后依次生长形成第一N型GaN层、P型GaN层、多量子阱有源层以及第二 N型GaN层；
(3)在第二N型GaN层上连接透明导电层，
或者，在第二 N型GaN层上连接第二衬底，并将第一衬底剥离，而在一 N型GaN层上连接透明导电层。
[0016]作为优选的方案之一，步骤(2)具体为:
a)在第一衬底上生长形成选定的缓冲层,其后生长N型掺杂GaN层作为第一N型GaN层，且其掺杂浓度于临近P型GaN层处最大；
b)在所述第一N型GaN层上生长P型掺杂GaN层，，且其掺杂浓度于临近第一 N型GaN层处最大；
c)在所述P型掺杂GaN层上生长P型AlGaN层；
d)在所述P型AlGaN层上生长多量子阱有源层；
e)在所述多量子阱有源层上生长N型AlGaN层；
e)在所述N型Al GaN层上生长N型掺杂GaN层，且掺杂浓度(约5 X IO17?2 X IO18)沿远离衬底的方向连续或非连续增大。
[0017]一种发光装置，它包括如上所述的GaN基发光二极管或按照如上所述方法制备的GaN基发光二极管。
[0018]与现有技术相比，本发明的优点至少在于:
(1)半导体材料层的厚度较之习见GaN基LED显著减小，大幅缩短了生长时间，有效提升了生产效率；
(2)半导体材料层，尤其是与透明导电电极连接的N型GaN层无需重掺杂，降低因为前述结构层重掺杂而对光的吸收，从而使LED的发光效率得以优化，并使ITO等与N型GaN层形成良好欧姆接触，降低了 LED的工作电压，以及，还提高了产品良率。【专利附图】
【附图说明】
[0019]以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0020]图1是现有GaN基LED的结构示意图；
图2是本发明GaN基LED的基础结构示意图；
图3是本发明一较佳实施例中GaN基LED的结构示意图；
图4是本发明另一较佳实施例中GaN基LED的结构示意图；
附图标记说明:蓝宝石衬底100、多晶GaN缓冲层200、GaN单晶层300、Si掺杂N型GaN层 400、(GaN/InGaN) X 5-浅井结构 500、(GaN/InGaN) X 8-量子阱结构 600、Mg 掺杂 P 型AlGaN-电流阻挡层700、Mg掺杂P型GaN层800、Mg掺杂P型InGaN-金属接触层900、ITO1000、第一 N型GaN层11、P型GaN层12、多量子阱有源层13、第二 N型GaN层14、P型AlGaN层15、N型Al GaN层16、第一衬底2、透明导电层3、第二衬底4、金属键合层5。
【具体实施方式】
[0021]如前所述，当前业界所提出的GaN基LED普遍存在半导体材料层厚度较大以及需要进行重掺杂，导致其制程复杂，生产效率及产品的发光效率都较为低下等缺陷。有鉴于此，本案发明人经长期研究和大量实践，针对上述之目标，详加设计与审慎评估后，提出了本发明的技术方案，其实现了对现有GaN基LED的结构进行了突破性的改良，并产生了本领域人员未能预见的技术效果。
[0022]概括的讲，本发明的GaN基LED采用了如图2所示之基本结构，它包括顺次叠设的第一 N型GaN层11、P型GaN层12、多量子阱有源层13以及第二 N型GaN层14，且所述第一 N型GaN层可生长在选定缓冲层上(图中未不出)。
[0023]其中，所述第一 N型GaN层生长在第一衬底上或所述第二 N型GaN层连接在第二衬底上，
以及，所述第一 N型GaN层或第二 N型GaN层上还连接有透明导电层。
[0024]参阅图3，作为本发明的优选实施方案之一，该GaN基LED的结构可以包括:
一第一衬底2，
以及，顺次生长在该第一衬底上的第一 N型GaN层11、P型GaN层12、多量子阱有源层
13、第二 N型GaN层14以及透明导电层3。
[0025]其中，所述第一 N型GaN层为N型掺杂GaN层，其中掺杂所用元素等可根据实际应用的需要选择性的使用Si等，且掺杂浓度等亦可是本领域技术人员根据实际应用的需要而很容易的进行调整，例如，其中一种优选方案可以是，掺杂浓度沿远离衬底的方向连续或非连续的增大，尤以与P型GaN层临近处的掺杂浓度最大。
[0026]其中，所述P型GaN层为P型掺杂GaN层，其中掺杂所用元素等可根据实际应用的需要选择性的使用Mg等，且掺杂浓度等亦可是本领域技术人员根据实际应用的需要而很容易的进行调整，例如，其中一种优选方案可以是，掺杂浓度沿远离衬底的方向连续或非连续的减小，尤以与第一 N型GaN层临近处的掺杂浓度最大。
[0027]其中，所述P型GaN层与多量子阱有源层之间还生长有P型Al GaN层15。
[0028]其中，所述N型GaN层与多量子阱有源层之间还生长有N型Al GaN层16。[0029]前述第一衬底2可选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底和GaN衬底中的任意一种，但不限于此。
[0030]当然，在该GaN基LED结构中，还可于第一衬底与第一 N型GaN层之间设置选定的缓冲层，该缓冲层是本领域技术人员可根据实际应用的需要而从习用的缓冲层材料中进行选择的。
[0031]作为本发明的一典型实施例，前述第一 N型GaN层的厚度可以是0.2 μ m左右、P型GaN层的厚度可以是0.2μπι左右、多量子阱有源层的厚度可以是0.16 μ m左右，第二 N型GaN层的厚度可以是0.2 μ m左右，其总厚度可以在I μ m以下，远远小于现有的GaN基LED器件，而相应的，其生长时间亦可大幅缩减。
[0032]该GaN基发光二极管的制备方法可包括如下步骤:
(1)提供一第一衬底；
(2)
a)在第一衬底上生长选定缓冲层,并在该选定缓冲层上生长N型掺杂GaN层作为第一N型GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向连续或非连续的增大；
b)在所述第一N型GaN层上生长P型掺杂GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向逐渐减小；
c)在所述P型掺杂GaN层上生长P型AlGaN层；
d)在所述P型AlGaN层上生长多量子阱有源层；
e)在所述多量子阱有源层上生长N型AlGaN层；
e)在所述N型Al GaN层上生长N型掺杂GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向连续或非连续的增大(优选为约5X1017~2X1018))；
(3)在第二 N型GaN层上连接透明导电层。
[0033]为满足实际应用的需要，本发明亦可采用另一优选实施方案，参阅图3，该方案所涉及的GaN基LED可包括:
顺次叠设的透明导电层、第一 N型GaN层、P型GaN层、P型Al GaN层、多量子阱有源层、N型Al GaN层、第二 N型GaN层以及第二衬底。
[0034]同样的，所述第一 N型GaN层为N型掺杂GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向增大。而所述P型GaN层为P型掺杂GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向逐渐减小。
[0035]其中，第二衬底可选自Si衬底、金属衬底、氮化铝衬底中的任意一种，但不限于此。
[0036]该GaN基LED的制程可以为:
(1)提供一第一衬底2;
(2)
a)在第一衬底上生长选定缓冲层,并在该选定缓冲层上生长N型掺杂GaN层作为第一N型GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向增大；
b)在所述第一N型GaN层上生长P型掺杂GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向逐渐减小；
c)在所述P型掺杂GaN层上生长P型AlGaN层；
d)在所述P型AlGaN层上生长多量子阱有源层； e)在所述多量子阱有源层上生长N型Al GaN层；
e)在所述N型Al GaN层上生长N型掺杂GaN层，且掺杂浓度沿远离衬底的方向增大；
(3)将第一衬底采用激光剥离或其它业界习用之方式去除，并在第二 N型GaN层上采用金属键合或粘接等方式连接第二衬底4，以及，在一 N型GaN层上连接透明导电层。
[0037]其中，第二衬底上可预先设置反光层结构。
[0038]该GaN基LED结构尤其适于大功率LED芯片。
[0039]综上所述，可以明显看到，本发明至少产生了如下积极效果:
(O半导体材料层的厚度显著减小，生长时间大幅缩短，生产效率得以有效提升；
(2)与透明导电电极连接的N型GaN层无需重掺杂，降低因为前述结构层重掺杂而对光的吸收，从而使LED的发光效率得以优化，且提高了产品良率。
[0040]上述实施例只为说明本发明之技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，则都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种GaN基发光二极管,其特征在于，它包括在选定缓冲层上顺次叠设的第一 N型GaN层、P型GaN层、多量子阱有源层以及第二 N型GaN层， 其中，所述第一 N型GaN层生长在第一衬底上或所述第二 N型GaN层连接在第二衬底上， 以及，所述第一 N型GaN层或第二 N型GaN层上还连接有透明导电层。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管，其特征在于，所述第一N型GaN层为N型掺杂GaN层，且其掺杂浓度于临近P型GaN层处最大。
3.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管，其特征在于，所述P型GaN层为P型掺杂GaN层,且其掺杂浓度于临近第一 N型GaN层处最大。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的GaN基发光二极管，其特征在于，所述P型GaN层与多量子阱有源层之间还设有P型Al GaN层。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的GaN基发光二极管，其特征在于，所述N型GaN层与多量子阱有源层之间还设有N型Al GaN层。
6.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管，其特征在于，所述第二N型GaN层粘接或键合在所述第二衬底上。
7.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管，其特征在于， 所述第一衬底至少选自蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底和GaN衬底中的任意一种； 所述第二衬底至少选自Si衬底、金属衬底、氮化铝衬底中的任意一种，且所述第二衬底还具有反光层结构。
8.如权利要求1-7中任一项所述GaN基发光二极管的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤: (1)提供一第一衬底； (2)在所述第一衬底上依次生长形成第一N型GaN层、P型GaN层、多量子阱有源层以及第二 N型GaN层； (3)在第二N型GaN层上连接透明导电层， 或者，将第一衬底剥离，并在第二 N型GaN层上连接第二衬底，以及在第一 N型GaN层上连接透明导电层。
9.根据权利要求8所述GaN基发光二极管的制备方法，其特征在于，该方法中，步骤⑵具体为: a)在第一衬底上生长选定缓冲层之后，再生长N型掺杂GaN层作为第一N型GaN层，且其掺杂浓度于临近P型GaN层处最大； b)在所述第一N型GaN层上生长P型掺杂GaN层，且其掺杂浓度于临近第一 N型GaN层处最大； c)在所述P型掺杂GaN层上生长P型AlGaN层； d)在所述P型AlGaN层上生长多量子阱有源层； e)在所述多量子阱有源层上生长N型AlGaN层； e)在所述N型Al GaN层上生长N型掺杂GaN层，且其掺杂浓度为5 X IO17?2 X IO18。
10.一种发光装置，其特征在于，它包括如权利要求1-7中任一项所述的GaN基发光二极管或按照权利要求8-9中任一项方法制备的GaN基发光二极管。
【文档编号】H01L33/04GK103633206SQ201210305178
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】梁秉文 申请人:苏州纳方科技发展有限公司