基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二极管及其制备方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910942692.4 (22)申请日 2019.09.30 (71)申请人 东莞理工学院 地址 523000 广东省东莞市松山湖科技产 业园区大学路1号 (72)发明人 贾传宇胡西多 (74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人 姚招泉 (51)Int.Cl. H01L 33/06(2010.01) H01L 33/12(2010.01) H01L 33/14(2010.01) H01L 33/22(2010.01) H01L 33/32(20。

2、10.01) H01L 33/00(2010.01) (54)发明名称 一种基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二 极管及其制备方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于AIN/PSS复合衬底的 高亮度发光二极管及其制备方法， 所述高亮度发 光二极管包括从下到上依次层叠设置的AlN/PSS 复合衬底、 u型GaN合并层、 n型GaN层、 低温GaNV- pits层、 有源区、 电子阻挡层、 高温p型GaN层和接 触层。 本发明的高亮度发光二极管包括新型结构 的u-GaN合并层， 以及V-pits层和有源区， 能够有 效提高外延层晶体质量， 有效缓解有源区应力， 并改善水平方向电流扩展， 进而实。

3、现提高发光二 极管发光效率的目的， 制得的发光二极管亮度 高。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 110729383 A 2020.01.24 CN 110729383 A 1.一种基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二极管， 其特征在于， 包括从下到上依次层 叠设置的AlN/PSS复合衬底(101)、 u型GaN合并层(102)、 n型GaN层(103)、 低温GaN V-pits层 (104)、 有源区(105)、 电子阻挡层(106)、 高温p型GaN层(107)和接触层(108)； 所述u型GaN合并层(102)包括从下到上依次层叠设置的第一u型GaN层、 第二u型GaN和。

4、 第三u型GaN； 所述第一u型GaN层的厚度为0.81 m， 生长温度为10101020， 反应室压力 为200300torr， V族源/III族源摩尔比为1000-1200； 所述第二u型GaN层的厚度为0.81 m， 生长温度为10201030， 反应室压力为100150torr， V族源/III族源摩尔比为1300 1500； 所述第三u型GaN层的厚度为0.81 m， 生长温度为10501080， 反应室压力为75 100torr， V族源/III族源摩尔比为13001500。 2.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管， 其特征在于， 所述低温GaN V-pits层 (104)包括从。

5、下到上依次层叠设置的第一u-GaN层、 n-GaN层、 第二u-GaN层和n+-GaN层； 其 中， 第一u-GaN层的厚度为8090nm； n-GaN层的厚度为7080nm， Si掺杂浓度510178 1017cm-3； 第二u-GaN层的厚度为8090nm； n+-GaN层的厚度为90100nm， Si掺杂浓度3 101881018cm-3。 3.根据权利要求2所述的高亮度发光二极管， 其特征在于， 所述有源区(105)为三梯度 InGaN/GaN超晶格结构， 包括从下到上依次层叠设置的第一梯度、 第二梯度和第三梯度； 其 中， 第一梯度为1020周期u型InGaN/GaN超晶格， 第一梯。

6、度的InGaN阱层的厚度为1 1.5nm， 第一梯度的GaN垒层的厚度为1.52nm； 第二梯度为23周期n型InGaN/GaN超晶格， 第二梯度的InGaN阱层的厚度为2.53nm， 第二梯度的GaN垒层的厚度为35nm， Si掺杂浓 度2101831018cm-3； 第三梯度为46周期u型InGaN/GaN超晶格， 第三梯度的InGaN阱层 厚度为2.53.5nm， 第三梯度的GaN垒层厚度为56.5nm。 4.根据权利要求3所述的高亮度发光二极管， 其特征在于， 所述电子阻挡层(106)为5 10周期p型AlyGa1-yN/GaN， 其中AlyGa1-yN的厚度为12nm， GaN的厚度。

7、为12nm； Mg掺杂浓度 为10171018cm-3， Al组分含量y满足0.05y0.2。 5.根据权利要求4所述的高亮度发光二极管， 其特征在于， 所述高温p型GaN层(107)的 厚度为100200nm， Mg掺杂浓度为10171018cm-3。 6.根据权利要求5所述的高亮度发光二极管， 其特征在于， 所述接触层(108)为p型 InGaN接触层， 所述接触层的厚度为23nm， Mg掺杂浓度： 11018cm-311019cm-3。 7.权利要求6所述高亮度发光二极管的制备方法， 其特征在于， 包括如下步骤： S1.在氢气和氨气混合气氛中， 温度9501000条件下， 对AlN/PS。

8、S复合衬底(101)进 行表面活化处理； S2.通入氨气， 在AlN/PSS复合衬底(101)上生长u型GaN合并层(102)； S3.在氢气和氨气混合气氛中， 在u型GaN合并层(102)上生长n型GaN层(103)， 生长温度 为10501080， 压力为100150torr， V族源/III族源摩尔比为13001500； S4.在氮气氛围中， 在n型GaN层(103)上生长低温GaN V-pits层(104)， 生长温度为780 860， 压力为300350torr， V族源/III族源摩尔比为500010000； S5.在氮气氛围中， 在低温GaN V-pits层(104)上生长有源区。

9、(105)， 压力为300 350torr， V族源/III族源摩尔比为500010000； S6.在氮气氛围中， 在有源区(105)上生长电子阻挡层(106)， 压力为100300torr， V族 权利要求书 1/2 页 2 CN 110729383 A 2 源/III族源摩尔比为500010000； S7.在氢气氛围中， 在电子阻挡层(106)上生长高温p型GaN层(107)， 生长温度为950 1050， 压力为100150torr， V族源/III族源摩尔比为20005000； S8.在氢气氛围中， 在高温p型GaN层(107)上生长接触层P-InGaN(108)， 生长温度为650 。

10、750， 压力为300350torr， V族源/III族源摩尔比为500010000； 即制得所述高亮度 发光二极管。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110729383 A 3 一种基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二极管及其制备 方法 技术领域 0001 本发明涉及发光二极管技术领域， 更具体地， 涉及一种基于AIN/PSS复合衬底的高 亮度发光二极管及其制备方法。 背景技术 0002 现有的氮化镓基发光二极管主要是在极性面： 面蓝宝石上制备， 蓝宝石和 氮化镓同属六方系晶体， GaN薄膜通常在异质蓝宝石上生长。 由于二者之间巨大的晶格失配 和热失配， 导致GaN薄膜外延生长过程中产。

11、生的穿透位错(Threading dislocation， TD)密 度高达1081010/cm2。 这些TDs在做近似垂直延伸时伴随形成倒六角金字塔状6个侧面为 10-11面的V形缺陷， 即通常所说的V形坑(V-pits)。 0003 作为InGaN/GaN基LED器件的一个典型特征， V形坑在屏蔽位错、 提高器件发光效率 方面的作用已经取得广泛的认同； 随着研究的不断深入， V形坑提升空穴注入量子阱的效 率、 改善载流子在阱区不均匀分布的作用也逐渐被认识和利用， 从而显著提高了InGaN/GaN LED器件的光电性能。 但是， 现有的氮化镓基发光二极管的亮度还不够高。 中国专利申请 CN1。

12、01345274A公开了一种利用图形化衬底提高GaN基LED发光效率的方法， 该方法制得的 GaN基LED的亮度难以满足当下实际需要。 0004 因此， 需要开发出亮度更高的发光二极管。 发明内容 0005 本发明为克服上述现有技术所述的亮度不足的缺陷， 提供一种基于AIN/PSS复合 衬底的高亮度发光二极管， 提供的发光二极管发光效率高， 亮度高。 0006 本发明的另一目的在于提供一种上述高亮度发光二极管的制备方法。 0007 为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是： 0008 一种基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二极管， 包括从下到上依次层叠设置的 AlN/PSS复合衬底、 。

13、u型GaN合并层、 n型GaN层、 低温GaN V-pits层、 有源区、 电子阻挡层、 高温 p型GaN层和接触层； 0009 所述u型GaN合并层包括从下到上依次层叠设置的第一u型GaN层、 第二u型GaN和第 三u型GaN； 所述第一u型GaN层的厚度为0.81 m， 生长温度为10101020， 反应室压力为 200300torr， V族源/III族源摩尔比为10001200； 所述第二u型GaN层的厚度为0.81 m， 生长温度为10201030， 反应室压力为100150torr， V族源/III族源摩尔比为1300 1500； 所述第三u型GaN层的厚度为0.81 m， 生长温度。

14、为10501080， 反应室压力为75 100torr， V族源/III族源摩尔比为13001500。 0010 优选地， 所述n型GaN层的厚度为23 m。 0011 优选地， 所述低温GaN V-pits层包括从下到上依次层叠设置的第一u-GaN层、 n- GaN层、 第二u-GaN层和n+-GaN层； 其中， 第一u-GaN层的厚度为8090nm； n-GaN层的厚度为 说明书 1/5 页 4 CN 110729383 A 4 7080nm， Si掺杂浓度5101781017cm-3； 第二u-GaN层的厚度为8090nm； n+-GaN层的 厚度为90100nm， Si掺杂浓度3101。

15、881018cm-3。 0012 优选地， 所述有源区为三梯度InGaN/GaN超晶格结构， 包括从下到上依次层叠设置 的第一梯度、 第二梯度和第三梯度； 其中， 第一梯度为1020周期u型InGaN/GaN超晶格， 第 一梯度的InGaN阱层的厚度为11.5nm， 第一梯度的GaN垒层的厚度为1.52nm； 第二梯度 为23周期n型InGaN/GaN超晶格， 第二梯度的InGaN阱层的厚度为2.53nm， 第二梯度的 GaN垒层的厚度为35nm， Si掺杂浓度21018-31018cm-3； 第三梯度为46周期u型InGaN/ GaN超晶格， 第三梯度的InGaN阱层厚度为2.53nm， 第。

16、三梯度的GaN垒层厚度为56.5nm。 0013 优选地， 所述电子阻挡层为510周期p型AlyGa1-yN/GaN， 其中AlyGa1-yN的厚度为1 2nm， GaN的厚度为12nm； Mg掺杂浓度为10171018cm-3， Al组分含量y满足0.05y0.2。 0014 优选地， 所述高温p型GaN层的厚度为100200nm， Mg掺杂浓度为10171018cm-3。 0015 优选地， 所述接触层为p型InGaN接触层， 所述接触层的厚度为23nm， Mg掺杂浓 度:11018cm-311019cm-3。 0016 本发明还保护上述高亮度发光二极管的制备方法， 所述制备方法包括如下步。

17、骤： 0017 S1.在氢气和氨气混合气氛中， 温度9501000条件下， 对AlN/PSS复合衬底 (101)进行表面活化处理； 0018 S2.通入氨气， 在AlN/PSS复合衬底(101)上生长u型GaN合并层； 0019 S3.在氢气和氨气混合气氛中， 在u型GaN合并层上生长n型GaN层， 生长温度为1050 1080， 压力为100150torr， V族源/III族源摩尔比为1300； 0020 S4.在氮气氛围中， 在n型GaN层上生长低温GaN V-pits层， 生长温度为780860 ， 压力为300-350torr， V族源/III族源摩尔比为500010000； 0021。

18、 S5.在氮气氛围中， 在低温GaN V-pits层上生长有源区， 压力为300350torr， V族 源/III族源摩尔比为500010000； 0022 S6.在氮气氛围中， 在有源区上生长电子阻挡层， 压力为100300torr， V族源/III 族源摩尔比为500010000； 0023 S7.在氢气氛围中， 在电子阻挡层上生长高温p型GaN层， 生长温度为9501050， 压力为100150torr， V族源/III族源摩尔比为20005000； 0024 S8.在氢气氛围中， 在高温p型GaN层上生长接触层p-InGaN， 生长温度为650750 ， 压力为300350torr， 。

19、V族源/III族源摩尔比为500010000； 即制得所述高亮度发光二 极管。 0025 优选地， 步骤S1S8在金属有机化合物气相外延反应室中进行。 0026 优选地， 步骤S1.中反应室压力100torr， 处理510分钟。 0027 与现有技术相比， 本发明的有益效果是： 0028 本发明通过采用AlN/PSS复合衬底有效降低外延材料中的位错密度， 优化设计V- pits层有效屏蔽位错， 在此基础上设计新型有源区结构， 有效提高复合发光效率。 0029 本发明的高亮度发光二极管包括新型结构的u-GaN合并层， 以及V-pits层和有源 区， 能够有效提高外延层晶体质量， 有效缓解有源区应。

20、力， 并改善水平方向电流扩展， 进而 实现提高发光二极管发光效率的目的， 制得的发光二极管亮度高。 说明书 2/5 页 5 CN 110729383 A 5 附图说明 0030 图1为本发明的基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二极管的结构示意图。 0031 图2为本发明实施例1(LED2)实施例2(LED3)与对比例1(LED1)的发光二极管的 光功率对比图。 具体实施方式 0032 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。 0033 实施例中的原料均可通过市售得到； 0034 本申请的实施例制备过程使用Aixtron公司， 紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。 生长过程中使用三甲基镓。

21、(TMGa)、 三甲基铟(TMIn)和三甲基铝(TMAl)作为III族源， 氨气 (NH3)作为V族源， 硅烷(SiH4)作为n型掺杂源， 二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源。 0035 除非特别说明， 本发明采用的试剂、 方法和设备为本技术领域常规试剂、 方法和设 备。 0036 实施例1 0037 一种基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二极管， 如图1所示， 包括从下到上依次 层叠设置的AlN/PSS复合衬底101、 u型GaN合并层102、 n型GaN层103、 低温GaN V-pits层104、 有源区105、 电子阻挡层106、 高温p型GaN层107和接触层108。 0038 。

22、该高亮度发光二极管通过如下制备步骤制备得到： 0039 S1.在氢气和氨气混合气氛中， 温度9501000条件下， 对AlN/PSS复合衬底进行 表面活化处理； 反应室压力100torr， 处理510分钟。 0040 S2.通入氨气， 在AlN/PSS复合衬底(101)上生长u型GaN合并层； 0041 u型GaN合并层包括从下到上依次层叠设置的第一u型GaN层、 第二u型GaN和第三u 型GaN； 第一u型GaN层的厚度为0.8 m， 生长温度为1010， 反应室压力为200torr， V族源/ III族源摩尔比为1000； 第二u型GaN层的厚度为0.8 m， 生长温度为1020， 反应室。

23、压力为 100torr， V族源/III族源摩尔比为1300； 第三u型GaN层的厚度为0.8 m， 生长温度为1050， 反应室压力为75torr， V族源/III族源摩尔比为1300。 0042 S3.在氢气和氨气混合气氛中， 在u型GaN合并层上生长n型GaN层， n型GaN层的厚度 为2 m， 生长温度为1050， 压力为100torr， V族源/III族源摩尔比为1300。 0043 S4.在氮气氛围中， 在n型GaN层上生长低温GaN V-pits层， 生长温度为780， 压力 为300torr， V族源/III族源摩尔比为5000； 0044 低温GaN V-pits层包括从下到。

24、上依次层叠设置的第一u-GaN层、 n-GaN层、 第二u- GaN层和n+-GaN层； 其中， 第一u-GaN层的厚度为80nm； n-GaN层的厚度为70nm， Si掺杂浓度5 1017cm-3； 第二u-GaN层的厚度为80nm； n+-GaN层的厚度为90nm， Si掺杂浓度31018cm-3。 0045 S5.在氮气氛围中， 在低温GaN V-pits层上生长有源区， 压力为300torr， V族源/ III族源摩尔比为5000； 0046 有源区为三梯度InGaN/GaN超晶格结构， 包括从下到上依次层叠设置的第一梯度、 第二梯度和第三梯度； 其中， 第一梯度为10周期u型InGa。

25、N/GaN超晶格， 第一梯度的InGaN阱 层的厚度为1nm， 第一梯度的GaN垒层的厚度为1.5nm； 第二梯度为2周期n型InGaN/GaN超晶 格， 第二梯度的InGaN阱层的厚度为2.5nm， 第二梯度的GaN垒层的厚度为3nm， Si掺杂浓度2 说明书 3/5 页 6 CN 110729383 A 6 1018cm-3； 第三梯度为4周期u型InGaN/GaN超晶格， 第三梯度的InGaN阱层厚度为2.5nm， 第 三梯度的GaN垒层厚度为5nm。 0047 S6.在氮气氛围中， 在有源区上生长电子阻挡层， 压力为100torr， V族源/III族源 摩尔比为5000； 0048 电。

26、子阻挡层为5周期p型AlyGa1-yN/GaN， 其中AlyGa1-yN的厚度为1nm， GaN的厚度为 1nm； Mg掺杂浓度为1017cm-3， Al组分含量y0.05。 0049 S7.在氢气氛围中， 在电子阻挡层上生长高温p型GaN层， 生长温度为950， 压力为 100torr， V族源/III族源摩尔比为2000； 0050 高温p型GaN层的厚度为100nm， Mg掺杂浓度为1017cm-3。 0051 S8.在氢气氛围中， 在高温p型GaN层上生长接触层， 生长温度为650750， 压力 为300torr， V族源/III族源摩尔比为5000； 接触层为p型InGaN接触层， 。

27、接触层的厚度为2nm， Mg掺杂浓度为11018cm-3； 0052 外延生长结束后， 将反应室的温度降至700750， 采用纯氮气气氛进行退火处 理520min， 然后降至室温， 结束生长， 即制得高亮度发光二极管。 0053 实施例2 0054 本实施例为本发明的基于AIN/PSS复合衬底的高亮度发光二极管的第二实施例， 如图1所示， 包括从下到上依次层叠设置的AlN/PSS复合衬底101、 u型GaN合并层102、 n型GaN 层103、 低温GaN V-pits层104、 有源区105、 电子阻挡层106、 高温p型GaN层107和接触层108。 0055 该高亮度发光二极管通过如下制。

28、备步骤制备得到： 0056 S1.在氢气和氨气混合气氛中， 温度9501000条件下， 对AlN/PSS复合衬底进行 表面活化处理； 反应室压力100torr， 处理510分钟。 0057 S2.通入氨气， 在AlN/PSS复合衬底(101)上生长u型GaN合并层； 0058 u型GaN合并层包括从下到上依次层叠设置的第一u型GaN层、 第二u型GaN和第三u 型GaN； 第一u型GaN层的厚度为1 m， 生长温度为1020， 反应室压力为300torr， V族源/III 族源摩尔比为1200； 第二u型GaN层的厚度为1m， 生长温度为1030， 反应室压力为 150torr， V族源/II。

29、I族源摩尔比为1500； 第三u型GaN层的厚度为1 m， 生长温度为1080， 反 应室压力为100torr， V族源/III族源摩尔比为1500。 0059 S3.在氢气和氨气混合气氛中， 在u型GaN合并层上生长n型GaN层， n型GaN层的厚度 为3 m， 生长温度为1080， 压力为150torr， V族源/III族源摩尔比为1500。 0060 S4.在氮气氛围中， 在n型GaN层上生长低温GaN V-pits层， 生长温度为860， 压力 为350torr， V族源/III族源摩尔比为10000； 0061 低温GaN V-pits层包括从下到上依次层叠设置的第一u-GaN层、 。

30、n-GaN层、 第二u- GaN层和n+-GaN层； 其中， 第一u-GaN层的厚度为90nm； n-GaN层的厚度为80nm， Si掺杂浓度8 1017cm-3； 第二u-GaN层的厚度为90nm； n+-GaN层的厚度为100nm， Si掺杂浓度81018cm-3。 0062 S5.在氮气氛围中， 在低温GaN V-pits层上生长有源区， 压力为300torr， V族源/ III族源摩尔比为10000； 0063 有源区为三梯度InGaN/GaN超晶格结构， 包括从下到上依次层叠设置的第一梯度、 第二梯度和第三梯度； 其中， 第一梯度为20周期u型InGaN/GaN超晶格， 第一梯度的I。

31、nGaN阱 层的厚度为1.5nm， 第一梯度的GaN垒层的厚度为2nm； 第二梯度为3周期n型InGaN/GaN超晶 说明书 4/5 页 7 CN 110729383 A 7 格， 第二梯度的InGaN阱层的厚度为3nm， 第二梯度的GaN垒层的厚度为5nm， Si掺杂浓度3 1018cm-3； 第三梯度为6周期u型InGaN/GaN超晶格， 第三梯度的InGaN阱层厚度为3.5nm， 第三 梯度的GaN垒层厚度为6.5nm。 0064 S6.在氮气氛围中， 在有源区上生长电子阻挡层， 压力为300torr， V族源/III族源 摩尔比为10000； 0065 电子阻挡层为10周期p型AlyG。

32、a1-yN/GaN， 其中AlyGa1-yN的厚度为2nm， GaN的厚度为 2nm； Mg掺杂浓度为11018cm-3， Al组分含量y0.2。 0066 S7.在氢气氛围中， 在电子阻挡层上生长高温p型GaN层， 生长温度为1050， 压力 为100torr， V族源/III族源摩尔比为5000； 0067 高温p型GaN层的厚度为200nm， Mg掺杂浓度为11018cm-3。 0068 S8.在氢气氛围中， 在高温p型GaN层上生长接触层， 生长温度为650750， 压力 为300torr， V族源/III族源摩尔比为10000； 接触层为p型InGaN接触层， 接触层的厚度为 3nm。

33、， Mg掺杂浓度为11019cm-3； 0069 外延生长结束后， 将反应室的温度降至700750， 采用纯氮气气氛进行退火处 理520min， 然后降至室温， 结束生长， 即制得高亮度发光二极管。 0070 对比例1 0071 对比例LED结构包括从下到上依次层叠设置的AlN/PSS复合衬底、 u型GaN合并层、 n 型GaN层、 有源区、 电子阻挡层、 高温p型GaN层和接触层。 相对于实施例1和2， 对比例结构中 无V-pits层， 同时对比例有源区采用常规的6个周期InGaN/GaN多量子阱结构。 其他参数和 实施例相同。 0072 表征与性能测试 0073 LED光功率测试： 007。

34、4 LED晶圆测试仪， 测试工作电流， 光功率。 通过改变LED注入电流： 0mA增大到200mA， 在此过程中测试LED的光功率。 0075 测试结果 0076 本发明实施例12及对比例1的高亮度发光二极管的LED光功率如图2所示， 如图2 所示， 在150mA注入电流下， 实施例12的LED光功率相对比对比例1的传统LED结构分别提 高68和80。 0077 显然， 本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例， 而并非是对 本发明的实施方式的限定。 对于所属领域的普通技术人员来说， 在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。 这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明权利要求 的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 110729383 A 8 图1 说明书附图 1/2 页 9 CN 110729383 A 9 图2 说明书附图 2/2 页 10 CN 110729383 A 10 。