[发明专利]一种改善GaN外延片性质并增强GaN基LED发光性能的方法

说明书

本发明提出了一种改善GaN外延片性质并增强GaN基LED发光性能的方法，GaN外延片的厚度为450μm，其最上层为380nm厚掺Mg的p型GaN层；进行激光辐照实验前，将其剪裁成边长为10mm的正方形，之后将样品分别依次浸入乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗约5min；然后采用LP 305i F型准分子激光器在空气中对Ga N样品进行激光辐照，激光波长为248nm，重复频率为3Hz和10Hz，激光能量密度为300～800m J/cm。激光辐照与在N2气氛下退火相结合的方法可以较大幅度地提升GaN外延片的电学与发光性能以及LED器件的发光性能，其LED器件的光出射功率与未进行辐照与退火处理的样品相比可提升约37％。

技术领域

本发明涉及一种改善GaN外延片性质并增强GaN基LED发光性能的方法。

背景技术

GaN作为第三代半导体材料，其电子饱和速率、击穿电场、导热率、带隙均高于前两代半导体材料Si和GaAs，非常适合用来制作蓝、绿光和紫外光发光二极管(LED)、电荷耦合器件(CCD)、高速存储器、大功率器件及要求暗电流比较低的光探测器。近年来，随着科技的迅猛发展，人们对于电子器件拥有高频率、宽带宽、高效率、大功率等优势的愿望更加迫切，而以GaN为代表的宽禁带半导体正可以在这些方面满足人类生产生活的需要，更是成为半导体材料研究领域的热点。

但是，GaN在生长衬底的选择和在生长过程中背景载流子浓度过高以及p型掺杂浓度较低的情况均在很大程度上制约了其在工业生产中的广泛应用。目前，采用各种方法生长出的GaN大多不可避免地含有一定数量的N空位缺陷(VN)，导致非掺杂GaN均为n型半导体，本底电子浓度在10～4×10cm左右，呈现出高电导的情况。而p型GaN属补偿材料，且一般均用Mg元素作为受主掺杂杂质。Ga N中的H元素主要来自生长过程中NH3分解产生的H，因此在金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长的Ga N薄膜中，H的引入是无法避免的。目前GaN的受主杂质可控掺杂浓度仅在10～10cm之间，这意味着外延生长的p型Ga N的电学性能有较大的提升空间，这对于提高GaN基LED的发光性能也大有裨益。所以对于外延生长的GaN，需要采用一种新的有效的方法使其物理性能得到进一步的改善，以适应诸如LED等对于Ga N各种性质的要求。近期也报道了不少关于解决此方面难题的研究。于莉媛等对Ga N基LED外延片进行了电子束辐照实验，研究了不同能量的电子束辐照对Ga N基LED发光性能的影响。结果表明：在1.5Me V电子束辐照下，采用10k Gy剂量辐照时，LED的发光强度增加约25％；而在100k Gy剂量辐照时，LED的发光强度降低约16％，且电子束辐照可使原来色纯度不高的LED色纯度变好，而更高能量的辐照将会引起器件失效。但电子束辐照参数控制较为单一，难以将材料性质改善到最佳状态，且在特定局域表面对材料进行改性时的可选择性和可重复性较差。Lin等运用248nm准分子激光辐照Mg掺杂的Ga N外延层，辐照后Ga N的空穴载流子浓度提升了两个数量级，他们将此归因于激光辐照将束缚Mg受主的Mg-H键打断，同时伴有氢化镓空位的形成以及Ga空位被Mg填隙所占据，从而激活Mg受主，改善材料的电学性质。但通过激光辐照的GaN其电学性质依然有改善的空间，可以通过退火的方法使其光学和电学性质得到进一步的改善。Wang等[15]对准分子激光辐照前后p型GaN的光致发光谱、I-V曲线、表面微结构等进行了研究，结果发现：辐照后样品的光学、电学性质均得到改善，并且其表面的结晶质量并没有被准分子激光所破坏，但并没有说明激光辐照对以GaN为基底的LED的发光性能可以产生何种影响。因此，采用激光辐照以及退火的方法对GaN进行光学和电学性质的改善以及对以其为基底的LED的发光性能的改善亟待探索。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种改善GaN外延片性质并增强GaN基LED发光性能的方法，其采用248nm准分子激光对表面为p型的GaN外延片进行辐照，并对辐照后的样品进行退火处理，以改善其电学和发光性能。

根据上述发明目的，本发明通过以下技术方案来实现：