具有图形化DBR结构的GaN衬底及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，涉及GaN基发光二极管【技术领域】。该图形化DBR结构包括衬底、GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR层，DBR层为多周期结构，每一周期包括AlxInyGa1-x-yN层和GaN层，其中0<x<1，0<y<1，多周期结构的周期数大于10，每层AlxInyGa1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。本发明GaN衬底能增强DBR结构的反射效果，提高后续生长的GaN基LED外延片的晶体质量和发光效率。本发明同时公开了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法。
【专利说明】具有图形化DBR结构的GaN衬底及其制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及GaN基发光二极管【技术领域】，特别涉及一种具有图形化DBR结构的GaN衬底及其制备方法。
【背景技术】
[0002]LED (发光二极管，Light Emitting Diode)作为一种注入型的半导体电致发光器件，靠电子在能带间跃迁发光，其发光波长主要由材料的禁带宽度决定。GaN (氮化镓)基材料具备从0.7eV到6.2eV之间连续可调的直接宽带隙，理论上可覆盖从红光至紫外光在内的整个可见光谱。在GaN基LED的制备中，加入DBR (分布式布拉格反射镜，distributedBragg reflection)结构可以提高光的取出效率。
[0003]目前具有DBR结构的GaN衬底包括衬底、在衬底上依次生长的GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR结构，该DBR结构为多周期结构，每一周期包括AlxInyGa yN层和在AlxInyGai_x_yN层上的GaN层，其中0〈x〈 I，0〈y〈 I，该多周期结构的周期数大于10，每层AlxInyGa1 yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm。
[0004]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]由于DBR结构中的AlxInyGa1 N层与GaN层之间本身存在晶格失配，周期数大于10，且每层AlxInyGa yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm的设计会导致DBR结构应力过大而产生额外的位错，这一方 面会影响DBR结构的反射效果，另一方面会影响在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的质量和发光效率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种具有图形化DBR结构的GaN衬底及制备方法，能解决现有GaN衬底由于周期数设计和每层厚度设计，影响DBR结构的反射效果及影响后续生长的GaN基LED外延片的质量和发光效率的问题。
[0007]为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，包括衬底、在所述衬底上依次向上生长的GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括AlxInyGai_x_yN层和在所述AlxInyGai_x_yN层上的GaN层，其中0〈X〈l，0〈y〈l，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述AlxInyGa yN层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm，所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。
[0008]进一步地，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形
[0009]进一步地，所述图形结构为长方体结构、多棱锥结构、多棱柱结构、多棱台结构、圆锥结构、圆柱结构、或圆台结构。
[0010]进一步地，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5-20微米。[0011]进一步地，任意两个所述图形结构之间的距离为I-30微米。
[0012]进一步地，所述AlxInyGanyN层的厚度和所述GaN层的厚度均40-100纳米。
[0013]进一步地，所述多周期结构的周期数为10-60。
[0014]另一方面，本发明实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法，包括步骤:
[0015]提供一衬底；
[0016]在所述衬底上依次向上生长GaN成核层和未掺杂GaN层；
[0017]在所述未掺杂GaN层上向上生长DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括AlxInyGa1yN层和在所述AlxInyGai_x_yN层上的GaN层，其中0〈x〈I，0〈y〈I，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述AlxInyGa1N层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm ；
[0018]对所述DBR层进行蚀刻，使所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。
[0019]进一步地，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5-20微米。
[0020]进一步地，任意两个所述图形结构之间的距离为I-30微米。
[0021]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0022]虽然DBR结构中的AlxInyGa1N层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层AlxInyGai_x_yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的一种布局的正视图；
[0025]图2是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的另一种布局的正视图；
[0026]图3是本发明实施例一提供 的具有图形化DBR结构的GaN衬底的再一种布局的正视图；
[0027]图4是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的又一种布局的俯视图；
[0028]图5是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的再一种布局的俯视图；
[0029]图6是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的又一种布局的俯视图；
[0030]图7是本发明实施例一提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的再一种布局的俯视图；
[0031]图8为本发明实施例二提供的具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法的流程图；
[0032]图9是本发明实施例三提供的GaN基LED外延片的正视图。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0034]实施例一
[0035]如图1所示，本发明实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，该GaN衬底包括衬底1、在衬底I上依次向上生长的GaN成核层2、未掺杂GaN层3和DBR层4，该DBR层4为多周期结构，每一周期包括AlxInyGai_x_yN层411和在AlxInyGai_x_yN层411上的GaN层412，其中0〈X〈l，0〈y〈l，多周期结构的周期数大于10，每层AlxInyGa11N层411的厚度和每层GaN层412的厚度均大于20nm，该DBR层4在该未掺杂GaN层3上形成阵列排列的图形结构41。
[0036]进一步地，参考图4、图5、图6和图7，本实施例图形结构41的底面可以为正方形(见图4)、正三角形(见图5)、正六边形(见图6)或棱形(见图7)。当然，本实施例图形结构41的底面还可以为长方形或圆形。
[0037]进一步地，参考图2、图3和图4，该图形结构41为长方体结构(见图1并结合图4)或多棱锥结构(例如三棱柱结构，见图2并结合图5)。当然，本实施例图形结构41还可以为多棱柱结构、多棱台结构、圆柱结构、圆锥结构或圆台结构。
[0038]进一步地，该正方形、该正三角形、该正六边形、该棱形、该长方形的边长或该圆形的直径为0.5-20微米。
[0039]进一步地，任意两个图形结构41之间的距离为I-30微米。
[0040]进一步地，该AlxInyGai_x_yN层411的厚度和该GaN层412的厚度均40-100纳米。通过厚度设计，使透射光线与反射光线在多量子阱层6 (见图9)的上表面发生干涉加强，从而减少透射光线的强度，加强反射光线的强度。例如，该DBR结构41的多周期结构中，每一周期包括Ala3Gaa7N层和GaN层，Ala3Gaa7N的厚度分别为65纳米，GaN层的厚度为47纳米。
[0041]进一步地，该多周期结构的周期数为10-60。例如，该多周期结构的周期数为30。
[0042]在本实施例中，图形结构41的高宽比可以为I-2，这样一方面使更多的光能够二次出射，另一方面使在DBR结构上侧向外延生长的GaN基LED外延片的质量更好，发光效率更高。
[0043]由上述技术方案可知，虽然DBR结构中的AlxInyGa1-x-yN层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层AlxInyGa1-x-yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。
[0044]实施例二
[0045]参见图8并结合图1，本实施例提供了一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法，该包括:
[0046]步骤S81，提供一衬底I，并在金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统中，将衬底I在温度为1000-1100°C (例如1100°C)，纯氢气气氛里高温热处理10-15分钟(例如15分钟);
[0047]步骤S182，将温度降低至500-600°C (例如600°C )，在衬底上向上生长20nm厚的GaN成核层2 ；
[0048]步骤S83，将温度上升至900-1000°C (例如1000°C )，在GaN成核层2上向上生长3μπι厚的非掺杂GaN层3 ;
[0049]步骤S84，保持温度不变，在非掺杂GaN层3上向上生长DBR层4，该DBR层4为多周期结构，每一周期包括AlxInyGa1-M11和在AlxInyGai-x-yN层411上的GaN层412，其中0〈x〈l，0〈y〈l，多周期结构的周期数大于10，每层AlxInyGanyN层411的厚度和每层GaN层412的厚度均大于20nm ；
[0050]步骤S85，对该DBR层4进行等离子体蚀刻，使该DBR层4在该未掺杂GaN层3上形成阵列排列的图形结构41。
[0051]进一步地，参考图4、图5、图6和图7，本实施例图形结构41的底面可以为正方形(见图4)、正三角形(见图5)、正六边形(见图6)或棱形(见图7)。当然，本实施例蚀刻形成的图形结构的底面还可以为长方形或圆形。
[0052]进一步地，参考图2、图3和图4，图形结构41为长方体结构(见图1并结合图4)或多棱锥结构(例如三棱柱结构，见图2并结合图5)。当然，本实施例蚀刻形成的图形结构还可以为多棱柱结构、多棱台结构、圆柱结构、圆锥结构或圆台结构。
[0053]进一步地，该正方形、该正三角形、该正六边形、该棱形、该长方形的边长或该圆形的直径为0.5-20微米。
[0054]进一步地，蚀刻后，任意两个图形结构41之间的距离为I-30微米。
[0055]进一步地，AlxInyGa1-mN层411的厚度和该GaN层412的厚度均40-100纳米。通过厚度设计，使透射光线与反射光线在多量子阱层6 (见图9)的上表面发生干涉加强，从而减少透射光线的强度，加强反射光线的强度。例如，该DBR结构41的多周期结构中，每一周期包括Ala3Gaa7N层和GaN层，Ala3Gaa7N的厚度分别为65纳米，GaN层的厚度为47纳米。例如，该DBR结构41的多周期结构中，每一周期包括Al。.3Ga0.7N层和GaN层，Al。.3Ga0.7N的厚度分别为65纳米，GaN层的厚度为47纳米。
[0056]进一步地，该多周期结构的周期数为10-60。例如，该多周期结构的周期数为30。
[0057]虽然DBR结构中的AlxInyGa1-N层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层AlxInyGai_x_yN层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。
[0058]进一步地，该衬底I为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者硅衬底。[0059]由上述技术方案可知，虽然DBR结构中的AlxInyGa1N层与GaN层之间本身存在晶格失配，且周期数大于10，每层AlxInyGa1N层的厚度和每层GaN层的厚度均大于20nm，但是，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构，该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR结构的反射效果，而且能减小在DBR结构上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。
[0060]实施例三
[0061 ] 参考图9，本实施例提供了一种GaN基LED外延片，包括具有图形化DBR结构的GaN衬底和在具有图形化DBR结构的GaN衬底上向上生长的N型GaN层5、多量子阱层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。其中，该具有图形化DBR结构的GaN衬底与前述实施例中具有图形化DBR结构的GaN衬底相同，在此不再赘述。
[0062]进一步地，N型GaN层5的载流子浓度为3 X IO18-15X 1018/cm3 (例如3 X IO18/cm3), N型GaN层5的厚度为3-4微米。
[0063]进一步地，该多量子阱层6为多周期结构，每一周期包括InxGa1J层和在InxGapxN层生长上的GaN层，0〈χ〈1，例如，该多量子阱层6的多周期结构的周期数为9，每一周期包括Inai6Gaa84N 层和 GaN 层，Inai6Gaa84N 层的厚度为 2.5nm，GaN 的厚度为 12nm。
[0064]在本实施例中，P型AlGaN层7可以为厚度为40nm的P型Al。.15GaQ.85N层。
[0065]P型接触层8的厚度可以为0.4 μ m。
[0066]由上述技术方案可知，DBR层在未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构,该DBR层阵列排列的图形结构不仅能增加光的反射面，提高光的出射几率，增强DBR层的反射效果，而且能 减小在D BR层上生长的GaN基LED外延片的应力和位错，提高GaN基LED外延片的质量和发光效率。
[0067]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有图形化DBR结构的GaN衬底，包括衬底、在所述衬底上依次向上生长的GaN成核层、未掺杂GaN层和DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括AlxInyGa1-N层和在所述AlxInyGanyN层上的GaN层，其中0〈x〈l，0〈y〈l，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述AlxInyGa1-N层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm，其特征在于，所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。
2.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形。
3.如权利要求2所述的衬底，其特征在于，所述图形结构为长方体结构、多棱锥结构、多棱柱结构、多棱台结构、圆锥结构、圆柱结构、或圆台结构。
4.如权利要求2或3所述的衬底，其特征在于，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5?20微米。
5.如权利要求4所述的衬底，其特征在于，任意两个所述图形结构之间的距离为I?30微米。
6.如权利要求5所述的衬底,其特征在于，所述AlxInyGa1TyN层的厚度和所述GaN层的厚度均40?100纳米。
7.如权利要求6所述的衬底，其特征在于，所述多周期结构的周期数为10?60。
8.一种具有图形化DBR结构的GaN衬底的制备方法，其特征在于，所述方法包括: 提供一衬底； 在所述衬底上依次向上生长GaN成核层和未掺杂GaN层； 在所述未掺杂GaN层上向上生长DBR层，所述DBR层为多周期结构，每一周期包括AlxInyGa1-yN层和在所述AlxInyGai_x_yN层上的GaN层，其中0〈x〈I，0〈y〈I，所述多周期结构的周期数大于10，每层所述AlxInyGa1-N层的厚度和每层所述GaN层的厚度均大于20nm ； 对所述DBR层进行蚀刻，使所述DBR层在所述未掺杂GaN层上形成阵列排列的图形结构。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述图形结构的底面为正方形、正三角形、正六边形、棱形、长方形或圆形，所述正方形、所述正三角形、所述正六边形、所述棱形、所述长方形的边长或所述圆形的直径为0.5?20微米。`
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，任意两个所述图形结构之间的距离为I?30微米。
【文档编号】H01L33/10GK103441202SQ201310344975
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2013年8月8日
【发明者】吴克敏, 魏世祯 申请人:华灿光电股份有限公司