GaN基LED外延结构及其制造方法

GaN基LED外延结构及其制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种GaN基LED外延结构及其制造方法。所述GaN基LED外延结构包括：衬底；在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构，其中所述衬底是含光致发光荧光材料的衬底。通过使用稀土元素掺杂Re3Al5O12衬底，使得LED外延结构的光电效率提高、并且降低了器件的发热量；由于LED外延层结构是以荧光材料为衬底，由该外延结构制备的LED芯片可实现直接的白光发射，从而简化了白光LED光源的制备工序，降低了生产成本；通过先外延、然后图形化衬底、再进行侧向生长GaN基外延结构降低了外延结构的缺陷密度。
【专利说明】GaN基LED外延结构及其制造方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子器件领域，具体地涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。

【背景技术】
[0002]发光二极管(Light Emitting D1de-LED)可以直接把电能转化为光能。LED芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一部分是N型半导体，在它里面电子占主导地位。当这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
[0003]LED作为一种新型光源，由于具有节能、环保、寿命长、启动速度快、能控制发光光谱和禁止带幅的大小使色彩度更高等传统光源无可比拟的优势而得到了空前的发展。目前，白光LED在照明淋雨的用途越来越广泛。一般而言，LED通常有两种产生白光的主要方法，一种是使用发射红、绿、蓝的三个单色二极管，混色形成白光；另一种是使用荧光材料将蓝或紫外LED发出的单色光转换成宽频谱的白色光。其中前一种方法产生的白光主要应用于大屏幕显示技术，而后一种方法产生的白光主要应用于照明与背光源。
[0004]对于后一种白光技术，日本日亚公司拥有该领域的开创性发明(US5998925A):米用蓝色GaN芯片激发YAG黄色荧光粉而获得白光。该专利的发明点在于钇铝石榴石荧光粉，该荧光粉吸收450nm至470nm波长蓝光，激发产生550nm至560nm波长黄光，具有成本低、效率高的优点。但对于普通蓝光或紫外LED芯片，其光电转换效率一般低于30%。即使是目前最好的LED芯片，其光电转换效率也不会高于50 %。因此LED在发光时将伴随产生大量的热。一般在点亮的芯片周围，温度会到达150摄氏度至200摄氏度。这样的温度将造成荧光粉的效率下降20-30%，从而产生光源的色温与色坐标的偏移，同时也影响了 LED光源的光效与稳定性。而钇铝石榴石(YAG)荧光粉在120摄氏度以上的温度会发生退化；由于涂敷的荧光粉材料为非透明材料，在蓝光或紫外芯片发出的光通过YAG荧光粉时会发生散射吸收等现象，使得出光效率不高；同时由于涂敷厚度的不均匀会严重影响其光斑和白光色温。例如由于涂敷不均匀造成的黄色光圈、蓝色光斑、白光色温不一致等问题。
[0005]同时目前GaN基LED外延片多使用蓝宝石为衬底材料，蓝宝石晶体结构虽然与GaN相同(六方对称的纤锌矿晶体结构)，但与GaN材料晶格失配度大，达到13%，易导致GaN外延层的高位错密度，位错密度可以高至108-109/cm2。高位错密度造成发光效率下降，并导致大量热耗散，从而导致芯片光衰。


【发明内容】

[0006]本发明的目的是为了克服现有技术中LED的光电转换效率低、发热大、蓝宝石衬底与GaN材料晶格失配大、位错密度高的问题。
[0007]本发明旨在解决现有技术的前述问题，本发明提供一种无需使用荧光粉，在稀土元素掺杂的石榴石系列Re3Al5O12陶瓷或单晶衬底上生长的一种GaN基白光LED外延片，同时还提供该外延片的生长工艺。
[0008]根据本发明的一个方面，提出了一种GaN基LED外延结构，包括:衬底；在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构，其中所述衬底是含光致发光荧光材料的衬底。
[0009]根据本发明的另一个方面，还提出了一种制造GaN基LED半导体器件的方法，包括:准备包含光致发光荧光材料的衬底；以及在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构。
[0010]优选地，所述衬底包括稀土元素掺杂的石榴石系列Re3Al5O12衬底。
[0011]优选地，所述衬底包括稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底与Al2O3衬底键合之后得到的衬底。
[0012]优选地,所述稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底包括Re3Al5O12陶瓷衬底或单晶衬底。优选地，所述Re3Al5O12陶瓷衬底包括多晶Re3Al5O12陶瓷衬底或织构化Re3Al5O12陶瓷衬底。
[0013]优选地，所述衬底包括精细抛光后其表面粗糙度小于1nm的衬底。
[0014]优选地，所述GaN基LED外延结构依次包括低温AlN缓冲层、低温GaN缓冲层、GaN缓冲层、η型GaN层、AlGaN阻挡层、InGaN/GaN多量子阱发光层、AlGaN阻挡层、P型GaN层和高掺杂P型GaN电极接触层。
[0015]优选地,所述稀土元素Re选自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一种或任意几种。
[0016]优选地,所述GaN基LED外延结构包括在稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷或单晶或键合衬底上进行图案化处理并侧向外延生长的GaN基LED外延结构。
[0017]本发明的核心思想是通过利用稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷或单晶为衬底，在其表面生长GaN基蓝光LED外延结构，使蓝光激发陶瓷或单晶荧光材料衬底从而混合为白光。本发明实现了 GaN基白光LED外延片的生长，避免了传统白光LED中荧光粉的使用，从而有效的避免了因为高温造成的荧光粉量子效率下降、光源的色温，色坐标漂移。同时也简化了白光LED生产程序，大大降低了白光LED生产成本。
[0018]通过使用稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底，使得LED外延结构的光电效率提高，降低了器件的发热量；由于LED外延层结构是以荧光材料为衬底，由该外延结构制备的LED芯片可实现直接的白光发射，从而简化了白光LED光源的制备工序，降低了生产成本；通过先外延、然后图形化衬底、再进行侧向生长GaN基外延结构降低了外延结构的缺陷密度。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]根据结合附图的以下描述，本发明的优点将变得易于理解，其中:
[0020]图1示出了根据本发明实施例的GaN基LED外延结构的示意图；
[0021]图2示出了根据本发明实施例的GaN基LED外延结构的详细示意图；
[0022]图3不出了另一种GaN基LED外延结构的不意图；
[0023]图4示出了一种制造包含光致发光荧光材料的衬底的方法；以及
[0024]图5示出了一种制造GaN基LED半导体器件的方法。

【具体实施方式】
[0025]以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
[0026]在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
[0027]应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在......上面”或“在......上面并与之邻接”的表述方式。
[0028]在本申请中，术语“半导体结构”指在制造半导体器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
[0029]除非在下文中特别指出，半导体器件的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成。本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
[0030]图1示出了根据本发明实施例的一种GaN基白光LED外延结构的示意图。如图1所示，所述GaN基LED外延结构，包括:衬底100 ;在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构101，其中所述衬底是含光致发光荧光材料的衬底。
[0031]具体地，所述衬底包括稀土元素掺杂的石榴石系列Re3Al5O12衬底。所述稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底包括Re3Al5O12陶瓷衬底或单晶衬底。所述Re3Al5O12陶瓷衬底包括多晶Re3Al5O12陶瓷衬底或织构化Re3Al5O12陶瓷衬底。所述衬底包括精细抛光后其表面粗糙度小于1nm的衬底。所述稀土元素Re选自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一种或任意几种。具体地，掺杂量为0.005被％到25wt.%。通过使用稀土元素掺杂YAG衬底，使得LED外延结构的光电效率提高、并且降低了器件的发热量。
[0032]图2示出了 GaN基LED外延结构的示意图。具体地，所述GaN基LED外延结构在衬底上依次包括:低温AlN缓冲层1011、低温GaN缓冲层1012、GaN缓冲层1013、η型GaN层1014、AlGaN 阻挡层 1015、InGaN/GaN 多量子阱发光层 10116、AlGaN 阻挡层 1017、P 型 GaN层1018和高掺杂P型GaN电极接触层1019。
[0033]图3示出了另一种GaN基LED外延结构的示意图。具体地，在Re:YAG透明陶瓷或单晶衬底300上，依次包括低温AlN缓冲层3011、高温AlN缓冲层3012、高温GaN缓冲层3013,N型GaN层3014、InGaN/GaN多量子阱层3015、InGaN/GaN多量子阱层3016和高掺杂P型GaN电极接触层3017。
[0034]所述衬底还可以包括稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底与Al2O3衬底键合之后得到的衬底。所述键合包括:将稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷或单晶抛光至表面粗糙度小于1nm ；将Al2O3单晶抛光至表面粗糙度小于1nm ;将抛光的Re3Al5O12陶瓷或单晶的表面与抛光的Al2O3单晶表面进行RCA或Piranha标准清洗，然后真空烘干；在清洗和烘干的基础上，可选择性地将清洗完成的已抛光Re3Al5O12陶瓷或单晶的表面与抛光的Al2O3单晶表面在真空度为小于I X 1-3Pa的真空气氛下，利用Ar气进行表面溅射清洗；将清洗完成的抛光的YAG陶瓷或单晶的表面与抛光的Al2O3单晶表面在常压下贴合或放入真空度小于I X KT3Pa的真空中贴合，贴合时间为约20s-2h，贴合面所施加的温度为约200°C -1500°C，进行键合处理；将键合完成的晶片在200°C -1500°C下进行退火，退火时间为约30分钟_10h。将稀土元素掺杂YAG衬底与Al2O3进行键合、然后再生长外延结构。
[0035]具体地，所述GaN基LED外延结构包括在稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷或单晶或键合衬底上进行图案化处理并侧向外延生长的GaN基LED外延结构。侧向外延生长的图形化衬底的制备步骤如下:利用低压金属有机化合物化学气相沉积(LP-MOCVD)系统，分别以TMGa与NH3为Ga和N源，以H2为载气，生长GaN外延层；将所述衬底在1000°C -1200°C下热处理5-10分钟；将所述衬底降温至400-700°C，进行氮化处理，并生长15-60rm厚度低温GaN缓冲层；将所述衬底升温至1000-120(TC，生长100nm_4 μ m厚度GaN缓冲层；可选择性地将所述衬底升温至1000-1200°C，生长10nm-500nm厚度的η型GaN层，Si掺杂浓度为lX1017Cm_3-3X102°Cm_3;系统降温并取出样品，在GaN的表面利用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)方法沉积50-500nm厚度的S12作为掩模层；利用传统的光刻工艺结合干法或湿法刻蚀技术，在GaN表面沿晶向刻蚀出长条形出口，其窗口区的长度为2-15 μ m，窗口区与掩模区的比例为1: 4-4: I ;以及向图形化的衬底应用半导体器件制造领域通用的清洗程序清洗并烘干。然后，将清洗烘干的图形化衬底再次放入外延生长系统，继续生长后续外延结构。通过先外延、然后图形化衬底、再进行侧向生长GaN基外延结构降低了外延结构的缺陷密度。
[0036]图4示出了一种制造包含光致发光荧光材料的衬底的方法。如图4所示，所述方法包括:将光致发光荧光材料粉末混合到一起(S401):将所述混合后的粉末冷压成型为胚体(S402);将所述胚体烧结(S403);以及将烧结完成的透明陶瓷样品进行减薄与表面精细抛光(S404)。
[0037]具体地，所述方法还包括:将一定比例的稀土氧化物粉末混合到钇铝石榴石YAG粉末中；通过湿法球磨充分混合所述粉末；将所述粉末干燥，获得荧光陶瓷粉体原料；将荧光陶瓷粉体原料通过冷压成型为胚体；将胚体放入真空高温烧结炉中烧结；以及将烧结完成的透明陶瓷样品进行减薄与表面精细抛光。
[0038]具体地，所述稀土氧化物包括CeO和/或GdO氧化物。
[0039]其中，将所述混合后的粉末冷压成型为胚体之后，还包括:将胚体放入真空高温单晶生长炉中，升温到粉体熔化；利用YAG籽晶进行提拉生长；将生长后的晶体切割成外延片；以及进行减薄与表面精细抛光。
[0040]图5示出了一种制造GaN基LED半导体器件的方法。所述方法包括:准备包含光致发光荧光材料的衬底(501);以及在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构(502)。
[0041]所述衬底包括稀土元素掺杂的石榴石系列Re3Al5O12衬底。所述稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底包括Re3Al5O12陶瓷衬底或单晶衬底。所述Re3Al5O12陶瓷衬底包括多晶Re3Al5O12陶瓷衬底或织构化Re3Al5O12陶瓷衬底。所述稀土元素Re选自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一种或任意几种。
[0042]在外延生长之前，所述方法还包括:将稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷衬底与Al2O3衬底键合。
[0043]在外延生长之前还包括:将准备好的衬底精细抛光后其表面粗糙度小于10nm。更优选地，所述衬底包括精细抛光后其表面粗糙度为0.1-0.3nm的衬底。
[0044]所述GaN基LED外延结构依次包括低温AlN缓冲层、低温GaN缓冲层、GaN缓冲层、η型GaN层、AlGaN阻挡层、InGaN/GaN多量子阱发光层、AlGaN阻挡层、P型GaN层和高掺杂P型GaN电极接触层。其中可以在所述不同衬底上生长GaN基LED外延层，例如依次进行以下步骤:首先将衬底在800°C -1400°C，氢气气氛里进行高温清洁处理5-20分钟；温度下降至500°C _700°C，生长15-60nm厚度低温AlN缓冲层，对于图形化衬底，可选择性的将生长厚度设定为0_200nm ;温度保持在500°C -700°C，生长50nm-300nm厚度低温GaN缓冲层，对于图形化衬底，可选择性的将生长厚度设定为50-800nm ;温度升高至900°C 1200°C,生长2-4 μ m厚度高温GaN缓冲层；温度升高至900°C -1200°C，生长I μ m_3 μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为lX1017cm_3-3X102Clcm_3 ;温度降至650°C _850°C，生长1-30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；温度800°C 1150°C，生长100nm-800nm的p型GaN层，掺杂浓度为I X 1017cnT3-3 X 102°cnT3 ;温度 800°C 1150°C，生长 5nm50nm 的高掺杂 p 型 GaN 电极接触层，Mg 掺杂浓度为 I X 1018cnT3-5 X 120CnT3。
[0045]所述方法还包括:在稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷或单晶或键合衬底上进行图案化处理:以及在图形化处理的衬底上侧向外延生长GaN基LED外延结构。
[0046]下面参考具体的实施例描述包含光致发光突光材料的制备方法、GaN基LED外延结构的制造方法以及由此得到的GaN基LED外延结构。
[0047]实施例1
[0048]将0.005wt.%的Ce2O3粉末掺入YAG粉末中，通过湿法球磨充分混合，干燥后获得荧光陶瓷粉体原料。将荧光陶瓷粉体原料通过冷等静压成型为胚体。将胚体放入真空高温烧结炉中，烧结温度为1450°C，烧结时间10小时。将烧结完成的透明陶瓷样品经减薄与表面精细抛光后厚度为600 μ m，表面粗糙度为3nm。将此Ce:YAG透明陶瓷材料为衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在800°C氢气气氛里进行高温清洁处理20分钟，温度下降至500°C，生长15nm厚度低温AlN缓冲层；继续生长300nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至900°C，生长2 μ m厚度高温GaN缓冲层；保持900°C，生长3 μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为IX 1017cnT3-3X 102°cnT3 ;再将温度降至650°C，生长30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至800°C，生长10nm的p型GaN层，掺杂溶度为3X 12°_3 ;保持温度8000C，生长50nm的高掺杂p型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为5X 102°cm_3，最后将沉积设备降至室温。这样，就得到了根据本发明的GaN基LED外延结构。
[0049]实施例2
[0050]将0.3wt.%的Ce2O,粉末掺入YAG粉末中，通过湿法球磨充分混合，干燥后获得荧光陶瓷粉体原料。将荧光陶瓷粉体原料通过冷等静压成型为胚体。将胚体放入真空高温烧结炉中，烧结温度为1850°C，烧结时间15小时。将烧结完成的透明陶瓷样品经减薄与表面精细抛光后厚度为450 μ m，表面粗糙度为2nm。将此Ce =YAG陶瓷材料为衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在1400°C氢气气氛里进行高温清洁处理20分钟，温度下降至700°C，生长60nm厚度低温AlN缓冲层；继续生长50nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至1200°C，生长4 μ m厚度高温GaN缓冲层；保持1200°C，生长I μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为3Χ 102°cm_3 ;再将温度降至850°C，生长25个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至1150°C，生长800nm的p型GaN层，掺杂浓度为3X 102°cnT3 ;保持温度1150°C，生长5nm的高掺杂P型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为5X 102°cnT3,最后将沉积设备降至室温。这样，就得到了根据本发明的GaN基LED外延结构。
[0051]实施例3
[0052]将1.2wt.%的Gd2O3粉末与25wt.%的Gd2O3掺入YAG粉末中，通过湿法球磨充分混合，干燥后获得荧光陶瓷粉体原料。将荧光陶瓷粉体原料通过冷等静压成型为胚体。将胚体放入真空高温烧结炉中，烧结温度为1830°C，烧结时间12小时。将烧结完成的透明陶瓷样品经减薄与表面精细抛光后厚度为350 μ m，表面粗糙度为lnm。将此Ce =YAG陶瓷材料为衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在1300°C氢气气氛里进行高温清洁处理15分钟，温度下降至500°C，生长60nm厚度低温AlN缓冲层；温度升至700°C，生长50nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至1100°C，生长4μπι厚度高温GaN缓冲层；温度升至12000C，生长I μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为1.5X 1019cm_3 ;再将温度降至850°C，生长30个循环的InGaN/CaN多量子阱层；再将温度升至1050°C，生长500nm的p型GaN层，掺杂浓度为2X 1017_3 ;温度升至1180°C，生长15nm的高掺杂p型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为3X1019cm_3，最后将沉积设备降至室温。这样，就得到了根据本发明的GaN基LED外延结构。
[0053]实施例4
[0054]将0.005wt.%的Gd2O3粉末掺入YAG粉末中，通过湿法球磨充分混合，干燥后获得荧光晶体的粉体原料。将荧光粉体原料通过冷压成型为胚体。将胚体放入真空高温单晶生长炉中，升温到粉体熔化，利用YAG籽晶进行提拉生长。将生长后的晶体切割成外延片，经减薄与表面精细抛光后厚度为600 μ m，表面粗糙度为3nm。将此Ce =YAG单晶材料为衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在800°C氢气气氛里进行高温清洁处理20分钟，温度下降至500°C，生长15nm厚度低温AlN缓冲层；继续生长300nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至900°C，生长2 μ m厚度高温GaN缓冲层；保持900°C，生长3的η型GaN层，Si掺杂浓度为IX 117CnT3 ;再将温度降至650°C，生长30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至800°C，生长10nm的p型GaN层，掺杂浓度为3 X 1020cm-3 ;保持温度800°C，生长50nm的高掺杂P型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为5 X 120Cm-3,最后将沉积设备降至室温。这样，就得到了根据本发明的GaN基LED外延结构。
[0055]实施例5
[0056]例1:按(CeacilJ99.94st)3Al5012化学组成烧结陶瓷，烧结后的样品最后对样品进行抛光，抛光后的样品厚度为0.61mm，表面粗糙度为0.3nm。将此陶瓷材料为衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在800°C氢气气氛里进行高温清洁处理20分钟，温度下降至5000C，生长15nm厚度低温AlN缓冲层；继续生长300nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至90(TC，生长2 μ m厚度高温GaN缓冲层；保持90(TC，生长3 μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为1Χ1017_3 ;再将温度降至650°C，生长30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至800°C，生长10nm的p型GaN层，掺杂浓度为3 X 102°cm_3 ;保持温度800°C，生长50nm的高掺杂P型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为5 X 102°cm_3，最后将沉积设备降至室温，完成GaN基白光LED外延结构的生长。
[0057]实施例6
[0058]按(Cetl.06%Υ99.94 % ) 3Α15012化学组成烧结陶瓷，将烧结完成的陶瓷减薄到厚度为0.6mm,并进行表面抛光，抛光后陶瓷表面粗糙度为0.3nm。同时将市售获得的Al2O3单晶进行双面抛光，使其两面的表面粗糙度为0.5nm。将Ce =YAG陶瓷与Al2O3单晶进行标准RCA清洗，然后真空烘干。将烘干的Ce:YAG陶瓷与Al2O3单晶在超净腔体内，使抛光的表面面对面贴合，同时利用加热设备使贴合面升温至1500°C，键合时间为20s。将键合完成的衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在800°C氢气气氛里进行高温清洁处理20分钟，温度下降至500°C，生长15nm厚度低温AlN缓冲层；继续生长300nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至900°C，生长2 μ m厚度高温GaN缓冲层；保持900°C，生长3 μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为I X 117CnT3 ;再将温度降至650°C，生长30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至800°C，生长10nm的P型GaN层，掺杂浓度为3 X 102°cm_3 ;保持温度800°C，生长50nm的高掺杂P型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为5 X 120Cm-3,最后将沉积设备降至室温，完成GaN基白光LED外延结构的生长。
[0059]实施例7
[0060]按(Ce0.01%Y99.94%)3Al5012化学组成应用模板法烧结织构化(Ce0.01% Y99.94% ) 3A15012陶瓷，烧结后的样品最后对样品进行抛光，抛光后的样品厚度为0.58mm，表面粗糙度为0.3nm。将此陶瓷材料为衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在900°C氢气气氛里进行高温清洁处理40分钟，温度下降至50(TC，生长15nm厚度低温AlN缓冲层；继续生长300nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至900°C，生长2 μ my m厚度高温GaN缓冲层；保持900°C，生长3 μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为I X 1017cm_3 ;再将温度降至650°C，生长30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至800°C，生长10nm的p型GaN层，掺杂浓度为3X 102°cm_3 ;保持温度800°C，生长50nm的高掺杂p型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为5X 102°cm_3，最后将沉积设备降至室温，完成GaN基白光LED外延层的生长。
[0061]实施例8
[0062]按(Cetl.^Gd2WY7494J3Al5O12化学组成烧结陶瓷，将烧结完成的陶瓷样品进行减薄与抛光，样品厚度减薄为0.45mm,表面粗糙度为3nm。将此(CeQ.Q6% Gd25% Y74.94% ) 3A15012陶瓷材料为衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在1300°C氢气气氛里进行高温清洁处15分钟，温度下降至500°C，生长60nm厚度低温AlN缓冲层；温度升至700°C，生长50nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至1100°C，生长4 μ m厚度高温GaN缓冲层；温度升至1200°C，生长I μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为1.5 X 1019cm_3 ;再将温度降至850°C，生长30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至1050°C，生长500nm的P型GaN层，掺杂浓度为2X 117CnT3 ;温度升至1180°C，生长15nm的高掺杂p型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为3X 1019cm_3，最后将沉积设备降至室温，完成GaN基白光LED外延结构的生长。
[0063]实施例9
[0064]按(Cea 1%Gd1(l% Y29.9% Tb6tlJ3Al5O12化学组成烧结陶瓷，并将样品减薄至0.5mm,并抛光至表面粗糙度为10nm。同时将市售获得的Al2O3单晶进行双面抛光，使其两面的表面粗糙度为 5nm。将(Ce0.1%Gd1Q%Y29.9%Tb6Q%)3Al5012 陶瓷与 Al2O3 单晶进行标准 Piranha 清洗，然后真空烘干。将烘干的(Cea 1%GdltlJ29.9SJb6(W)3Al5012陶瓷与Al2O3单晶放入超净腔体内，并将腔体抽真空至5X 10_4Pa，使抛光的表面面对面贴合，同时利用加热设备使贴合面升温至200°C，键合时间为2小时。将(Cetl.1%GdltwY29.9SJb6(W)3Al5012陶瓷与Al2O3单晶键合完成的衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，以Al2O3单晶面为衬底进行外延生长。键合衬底在1000°C下热处理10分钟；衬底降温至400°C，进行氮化处理，并生长60nm厚度低温GaN缓冲层；衬底升温至1000°C，生长4μπι厚度GaN缓冲层；系统降温并取出样品，在GaN的表面利用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)方法沉积500nm厚度的S12作为掩模层；利用传统的光刻工艺结合干法或湿法刻蚀技术，在GaN表面沿晶向刻蚀出长条形窗口，其窗口区的长度为15μπι，窗口区与掩模区的比例4: I。在刻蚀的长方形窗口中进行后续的侧向外延生长。将此图形化衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在800°C氢气气氛里进行高温清洁处理20分钟，温度下降至500°C，生长60m厚度低温AlN缓冲层；继续生长300nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至900°C，生长4 μ m厚度高温GaN缓冲层；保持900°C，生长3 μ m的η型GaN层，Si掺杂浓度为I X 1017—3 ;再将温度降至650°C，生长30个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至800°C，生长10nm的p型GaN层，掺杂浓度为3 X 120Cm-3 ;保持温度800°C，生长50nm的高掺杂p型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为5X 102°cm_3，最后将沉积设备降至室温，完成GaN基白光LED外延结构的生长。
[0065]实施例10
[0066]按(Cea^Gd25stY7494J3Al5O12化学组成烧结陶瓷，并对样品进行减薄与抛光，样品厚度减薄为0.3mm，表面粗糙度为3nm。将抛光衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中衬底在1200°C下热处理5分钟；衬底降温至700°C，进行氮化处理，并生长15nm厚度低温GaN缓冲层；衬底升温至1200°C，生长10nm厚度GaN缓冲层；衬底降温至1000°C，生长550nm厚度的η型GaN层，Si掺杂浓度为I X 117CnT3 ;系统降温并取出样品，在GaN的表面利用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)方法沉积50nm厚度的S12作为掩模层；利用传统的光刻工艺结合干法或湿法刻蚀技术，在GaN表面延晶向刻蚀出长条形窗口，其窗口区的长度为2μπι，窗口区与掩模区的比例1: 4。将此图形化衬底放入金属有机化合物化学气相沉积设备中，在1400°C氢气气氛里进行高温清洁处理5分钟，温度下降至700°C，生长200nm厚度低温AlN缓冲层；继续生长800nm厚度低温GaN缓冲层；将温度升高至900°C，生长4μπι厚度高温GaN缓冲层；升高至1000°C，生长3μπι的η型GaN层，Si掺杂浓度为2Χ 1019_3 ;再将温度降至750°C，生长20个循环的InGaN/GaN多量子阱层；再将温度升至1000C，生长300nm的p型GaN层，掺杂浓度为4X 119CnT3 ;保持温度1000°C，生长35nm的高掺杂P型GaN电极接触层，Mg掺杂浓度为4 X 102°cm_3，最后将沉积设备降至室温，完成GaN基白光LED外延层的生长。
[0067]尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。
【权利要求】
1.一种GaN基LED外延结构,包括: 衬底； 在所述衬底上外延生长的GaN基LED外延结构， 其中所述衬底是含光致发光荧光材料的衬底。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其中所述衬底包括稀土元素掺杂的石榴石系列Re3Al5O12衬底。
3.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其中所述衬底包括稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底与Al2O3衬底键合之后得到的衬底。
4.根据权利要求3所述的GaN基LED外延结构，其中所述稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底包括Re3Al5O12陶瓷衬底或单晶衬底。
5.根据权利要求4所述的GaN基LED外延结构，其中所述Re3Al5O12陶瓷衬底包括多晶Re3Al5O12陶瓷衬底或织构化Re3Al5O12陶瓷衬底。
6.根据任一前述权利要求所述的GaN基LED外延结构，其中所述衬底包括精细抛光后其表面粗糙度小于1nm的衬底。
7.根据任一前述权利要求所述的GaN基LED半导体器件，其中所述GaN基LED外延结构依次包括低温AlN缓冲层、低温GaN缓冲层、GaN缓冲层、η型GaN层、AlGaN阻挡层、InGaN/GaN多量子阱发光层、AlGaN阻挡层、P型GaN层和高掺杂ρ型GaN电极接触层。
8.根据任一前述权利要求所述的GaN基LED外延结构，其中所述稀土元素Re选自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一种或任意几种。
9.根据任一前述权利要求所述的GaN基LED外延结构，其中所述GaN基LED外延结构包括在稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷或单晶或键合衬底上进行图案化处理并侧向外延生长的GaN基LED外延结构。
10.一种制造GaN基LED半导体器件的方法，包括: 准备包含光致发光荧光材料的衬底；以及 在所述衬底上外延生长GaN基LED外延结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述衬底包括稀土元素掺杂的石榴石系列Re3Al5O12 衬底。
12.根据权利要求11所述的方法，在外延生长之前还包括:将稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷衬底与Al2O3衬底键合。
13.根据权利要求11中所述的方法，其中所述稀土元素掺杂的Re3Al5O12衬底包括Re3Al5O12陶瓷衬底或单晶衬底。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述Re3Al5O12陶瓷衬底包括多晶Re3Al5O12陶瓷衬底或织构化Re3Al5O12陶瓷衬底。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，在外延生长之前还包括:将准备好的衬底精细抛光后其表面粗糙度小于10nm。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中所述GaN基LED外延结构依次包括低温AlN缓冲层、低温GaN缓冲层、GaN缓冲层、η型GaN层、AlGaN阻挡层、InGaN/GaN多量子阱发光层、AlGaN阻挡层、P型GaN层和高掺杂ρ型GaN电极接触层。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中所述稀土元素Re选自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一种或任意几种。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，还包括: 在稀土元素掺杂的Re3Al5O12陶瓷或单晶或键合衬底上进行图案化处理:以及 在图形化处理的衬底上侧向外延生长GaN基LED外延结构。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的方法，其中制备包含光致发光荧光材料的衬底包括: 将光致发光荧光材料粉末混合到一起: 将所述混合后的粉末冷压成型为胚体； 将所述胚体烧结；以及 将烧结完成的透明陶瓷样品进行减薄与表面精细抛光，得到包含光致发光荧光材料的衬底。
【文档编号】H01L33/08GK104332539SQ201410299430
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】曹永革, 刘著光, 邓种华, 陈剑, 李军廷, 费斌杰, 郭旺, 唐飞, 黄秋凤, 袁轩一 申请人:中国科学院福建物质结构研究所