一种生长在Si衬底上的LED外延片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种生长在Si衬底上的LED外延片，包括Si衬底、AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、InyGa1-yN/GaN量子阱层、AlzGa1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，所述AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、InyGa1-yN/GaN量子阱层、AlzGa1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层依次生长在Si衬底上。本实用新型中外延生长多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层，确保在外延降温过程中不产生裂纹，能够在Si衬底上外延出高质量的GaN薄膜，降低缺陷密度，提高LED的内量子效率。
【专利说明】-种生长在Si衬底上的LED外延片
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及LED外延片，特别是一种生长在Si衬底上的LED外延片。
【背景技术】
[0002] 发光二极管（LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量 低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装 饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能 源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的 低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的 目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将是以LED 为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素 都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。
[0003] III-族氮化物GaN在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广 泛关注。GaN是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系 数低，击穿介电强度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的发光效率 现在已经达到28%并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯（约为 2% )或荧光灯（约为10% )等照明方式的发光效率。数据统计表明，我国目前的照明用电 每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取 代荧光灯，可节省接近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。因照明而产生的温室 气体排放也会因此而大大降低。另外，与荧光灯相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使 用寿命约为此类照明工具的100倍。
[0004] 通常GaN基LED制备所使用的衬底为蓝宝石以及SiC。但由于蓝宝石衬底价格较 高，导致现阶段LED芯片价格处于一个较高的水平。其次，由于蓝宝石热导率低（100°C时为 25W/m.K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，降低了器件的内量子效率， 从而最终影响器件的性能。对于SiC而言，虽然不存在上述的缺点，但高昂的价格制约了它 的应用；另外，SiC衬底制备GaN基LED的专利只掌握在少数的外国公司手上。因此我们迫 切需要寻找一种价格低廉，具有高热导率的新型衬底。
[0005] Si衬底由于具有成熟的制备工艺，高的结晶质量，以及低廉的价格，高达100W/ m. K的热导率，成为了制备GaN基LED器件衬底最好的选择之一。但与GaN之间巨大的晶 格失配（16.9%)会在生长过程中产生大量的穿透位错，降低GaN层的晶体质量，而穿透位 错的存在会导致缺陷复合，从而降低LED的内量子效率，极大的阻碍了 LED的发光效率的提 高。此外，巨大的热失配（54%)会在降温过程中引入张引力而在GaN表面产生裂纹，制约 LED器件的制作。因此为了获得高发光效率的硅衬底GaN基LED，必须要外延出高质量的 GaN薄膜，同时防止裂纹的产生。 实用新型内容
[0006] 为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在Si衬底上的 LED外延片，本实用新型采用A1N及AlxGai_xN作为起始缓冲层，利用缓冲层间的晶格差异产 生的应力过滤穿透位错的延生；通过AlN/GaN应力补偿层补偿降温过程中的张力从而阻止 裂纹的产生，进而能够外延出超过4 μ m，高质量的GaN薄膜；同时采用此结构外延生长Si 掺n-GaN层、InyGai_yN/GaN量子阱层、A1ZG &1_ZN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，即LED外延片 结构；确保在外延降温过程中不产生裂纹，能够在硅衬底上外延出高质量的GaN薄膜，降低 缺陷密度，提高LED的内量子效率。
[0007] 为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
[0008] -种生长在Si衬底上的LED外延片，包括Si衬底、A1N成核层、AlxG ai_xN步进缓 冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺η-GaN层、InyG ai_yN/GaN量子阱层、A1ZG&1_ ZN电子阻挡层和 Mg掺p-GaN层，所述A1N成核层、AlxGai_xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN 层、InyGai_yN/GaN量子阱层、A1ZG &1_ZN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层依次生长在Si衬底上， 其中，X 为 0-1, y 为 〇-〇· 2, z 为 0-0· 3。
[0009] 优选的，所述Si衬底以（111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(0001)晶 面平行于Si (111)晶面，所述A1N成核层生长在Si (111)晶面上。
[0010] 优选的，所述AlxGai_xN步进缓冲层包括Α1 α756&α25Ν缓冲层、△1(|.#&(|.#缓冲层和 AlQ.25Gaa75N缓冲层，所述Ala75Ga a25N缓冲层、Ala5Gaa5N缓冲层和Ala25Ga a75N缓冲层从下 到上依次生长在A1N成核层与AlN/GaN应力补偿层之间。
[0011] 优选的，所述A1N成核层的厚度为30-300nm ;所述Ala 75Gaa 25N缓冲层的厚度 为120-150nm，所述A1Q. 5GaQ. 5N缓冲层的厚度为150-200nm，所述A1Q. 25GaQ. 75N缓冲层的厚 度为200-300nm，所述AlN/GaN应力补偿层中A1N层的厚度为5-100nm，GaN层的厚度为 50-2000nm，AlN与GaN为交替生长的周期性结构，所述AlN/GaN应力补偿层层数为3-5层； 所述 Si 掺 η-GaN 厚度为 1000-2000·，其掺杂浓度为 5xl017-lxl019cnT3 ;所述 InyGahN/GaN 量子阱层中，InyGai_yN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数为3-10 ;所述 AipahN电子阻挡层的厚度为5-30nm ;所述的Mg掺p-GaN厚度为100-300nm。
[0012] 优选的，所述AlN/GaN应力补偿层中A1N与GaN为交替生长的周期性结构，所述 AlN/GaN应力补偿层层数为3-5层。
[0013] 相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：
[0014] 1、本实用新型米用A1N及AlpahN作为起始缓冲层，利用缓冲层间的晶格差异广 生的应力过滤穿透位错的延生，GaN基LED外延片的高分辨X射线衍射摇摆曲线（RCXRD) GaN(0002)的半峰宽达到了 400arcsec，（10-12)的半峰宽达到了 538arcsec，接近蓝宝石衬 底外延的GaN基LED的晶体质量；
[0015] 2、通过多层AlN/GaN应力补偿层补偿降温过程中的张力从而阻止裂纹的产生， 进而能够外延出超过4 μ m，高质量的GaN薄膜；同时采用此结构外延生长Si掺η-GaN层、 InyGai_yN/GaN量子阱层、A1ZG &1_ZN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，即LED外延片结构；确保在 外延降温过程中不产生裂纹，能够在硅衬底上外延出高质量的GaN薄膜，降低缺陷密度，提 高LED的内量子效率至73 %。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型生长在Si衬底上的LED外延片的结构示意图；
[0017] 图2为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的LED外延片的GaN(0002) 的高分辨X射线衍射摇摆曲线（RCXRD)图谱；
[0018] 图3为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的LED外延片的GaN(10-12) 的高分辨X射线衍射摇摆曲线（RCXRD)图谱；
[0019] 图4为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的LED外延片的低温PL测试 图；
[0020] 其中，1为Si衬底，2为A1N成核层，3为AlQ.75Ga Q.25N缓冲层，4为AlQ.5GaQ. 5N缓冲 层，5为AlQ.25GaQ. 75N缓冲层，6为AlN/GaN应力补偿层，7为Si掺n-GaN层，8为InyGai_ yN/ GaN量子阱层，9为A1ZG&1_ZN电子阻挡层，10为Mg掺p-GaN层。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0022] 如图1所示，为本实用新型生长在Si衬底上的LED外延片，包括Si衬底1、A1N成 核层2、Al xGai_xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺η-GaN层7、In yGai_yN/GaN量子 阱层8、A1ZG &1_ZN电子阻挡层9和Mg掺p-GaN层10,所述A1N成核层2、AlxG ai_xN步进缓冲 层、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺η-GaN层7、InyG ai_yN/GaN量子阱层8、A1ZG&1_ ZN电子阻挡 层9和Mg掺p-GaN层10依次生长在Si衬底1上，其中，X为0-1，y为0-0. 2, z为0-0. 3。
[0023] 优选方案中，所述AlxGai_xN步进缓冲层包括Α1 α756&α25Ν缓冲层3、Α1α56&α5Ν缓冲 层 4 和 Ala25Gaa75N 缓冲层 5,所述 Ala75Gaa25N 缓冲层 3、Ala5Gaa5N 缓冲层 4 和 Ala25GaQ.75N 缓冲层5从下到上依次生长在A1N成核层2与AlN/GaN应力补偿层6之间。所述Si衬底 1以（111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(OOOl)晶面平行于Si (111)晶面，所 述A1N成核层2生长在Si衬底1 (111)晶面上，Α1α756&α25Ν缓冲层3、Ala5Ga a5N缓冲层4、 Al0.25GaQ.75N 缓冲层 5、AlN/GaN 应力补偿层 6、Si 掺 η-GaN 层 7、InyGai_yN/GaN 量子阱层 8、 A1ZG&1_ZN电子阻挡层9和Mg掺p-GaN层10依次生长在A1N成核层2上。
[0024] 实施例1
[0025] 生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
[0026] (1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以（111)面为模板作为外延面，晶体外 延取向关系为：GaN的（0001)面平行于Si的（111)面，即GaN(0001)//Si(lll)。
[0027] (2)Si衬底清洗以及退火处理，所述清洗及退火工艺具体过程为：采用高浓度的 HF溶液（HF:H20 = 1:1)对Si衬底进行长时间的刻蚀；再用去离子水清洗润洗30次；最后 用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1050°C经行高温热退火。
[0028] (3)Si衬底温度为1KKTC，在硅衬底上预铺一层A1原子层，防止硅衬底同见13接 触反应生成SiN，接着通入NH 3将A1原子层氮化。
[0029] (4)Si衬底温度为1KKTC，在步骤（2)所述的氮化后的A1N层上外延A1N成核层， 其厚度为50nm。
[0030] (5)3丨衬底温度为8001：，在步骤（3)所述4以成核层上生长41!^ &1_!^步进缓冲层； 依次生长 150nm 的 AlQ.75GaQ.25N 缓冲层、200nm 的 AlQ.5GaQ.5N 缓冲层和 220nm 的 AlQ.25GaQ.75N 缓冲层。
[0031] (6)在步骤（5)所述AlQ.25GaQ. 75N缓冲层上生长AlN/GaN应力补偿层，其中A1N层 的生长温度为700°C，厚度为5nm ;其上GaN层的生长温度为1000°C，厚度为250nm，生长 4个周期。
[0032] (7)Si衬底温度为100(rC，在步骤（6)所述AlN/GaN应力补偿层上生长Si掺n-GaN 层，其掺杂浓度为5χ1017αιΓ3,厚度为1500nm ;
[0033] (8)保持Si衬底温度为1000°C，在步骤（7)所述的Si掺η-GaN层上依次外延 InQ. 15GaQ.85N/GaN量子阱层、Α1α如。.…电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，其中In Q. 15GaQ.85N量子 阱层厚度为3nm，GaN垒层厚度为10nm，生长10个周期；Al aiGaQ.9N电子阻挡层厚度为5nm， Mg 惨 p_GaN 层为 150nm。
[0034] 步骤（4)-(8)均采用金属有机化学气相沉积工艺。
[0035] 图2、3是本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN基LED的X射线摇摆曲线图 谱，从X射线摇摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽（FWHM)值低于 400&1^86(：，631^(10-12)的半峰宽值为53831^86(3 ;表明在3丨（111)衬底上外延生长出了高 质量的GaN薄膜。
[0036] 图4是本实施例制备的生长Si衬底上的GaN基LED的低温PL测试图，从低温 (10K)PL测试的光致发光强度同常温（300K)PL测试的光致发光强度对比，可以看到该LED 的内量子效率达到了 73% ;表明了在Si衬底上外延出了高发光效率的LED外延片。
[0037] 最后用电子束蒸发形成欧姆接触制作横向结构芯片，在20mA的工作电流下，LED 器件的光输出功率为4. 57mW，开启电压值为3. 64V。
[0038] 实施例2
[0039] 生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
[0040] (1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以（111)面为模板作为外延面，晶体外 延取向关系为：GaN的（0001)面平行于Si的（111)面，即GaN(0001)//Si(lll)。
[0041] (2)Si衬底清洗以及退火处理，所述清洗及退火工艺具体过程为：采用高浓度的 HF溶液（HF:H20 = 1:1)对Si衬底进行长时间的刻蚀；再用去离子水清洗润洗30次；最后 用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1KKTC经行高温热退火。
[0042] ⑶Si衬底温度为600°C，在硅衬底上预铺一层A1原子层，防止硅衬底同NH3接触 反应生成SiN，接着通入NH 3将A1原子层氮化。
[0043] (4)Si衬底温度为600°C，在步骤（2)所述的氮化后的A1N层上外延A1N成核层， 其厚度为l〇〇nm。
[0044] (5)3丨衬底温度为8001：，在步骤（3)所述4以成核层上生长41!^ 1_!^步进缓冲层； 依次生长 120nm 的 AlQ.75GaQ.25N 缓冲层、180nm 的 AlQ.5GaQ.5N 缓冲层和 250nm 的 AlQ.25GaQ.75N 缓冲层。
[0045] (6)在步骤（5)所述AlQ.25GaQ. 75N缓冲层上生长AlN/GaN应力补偿层，其A1N层的 生长温度为1000°C，厚度为10nm ;其上GaN层的生长温度为1080°C，厚度为500nm，生长 3个周期。
[0046] (7)Si衬底温度为105(rC，在步骤（6)所述AlN/GaN应力补偿层上生长Si掺n-GaN 层，其掺杂浓度为lxl〇19cnT3厚度为1500nm。
[0047] (8)保持Si衬底温度为1050°C，在步骤（7)所述的Si掺η-GaN层上依次外延 Ina2GaQ.8N/GaN量子阱层、AlQ. 15GaQ.85N电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，其中Ina2Ga Q.8N量子阱 层厚度为4nm，GaN垒层厚度为12nm，生长9个周期；Α1α?56&α85Ν电子阻挡层厚度为20nm， Mg 惨 p_GaN 层为 200nm。
[0048] 步骤（4)-(8)均采用金属有机化学气相沉积工艺。
[0049] 用电子束蒸发形成欧姆接触制作横向结构芯片，在20mA的工作电流下，LED器件 的光输出功率为4. 72mW，开启电压值为3. 83V。
[0050] 对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种 相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护 范围之内。
【权利要求】
1. 一种生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，包括Si衬底、A1N成核层、AlxGahN 步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、InyGai_yN/GaN量子阱层、A1 ZG&1_ZN电子 阻挡层和Mg掺p-GaN层，所述A1N成核层、Al xGai_xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si 掺n-GaN层、InyGai_yN/GaN量子阱层、A1ZG &1_ZN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层依次生长在Si 衬底上，其中，X为0-1，y为〇-〇. 2, z为0-0. 3。
2. 如权利要求1所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述Si衬底以 (111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(0001)晶面平行于Si (111)晶面，所述A1N 成核层生长在Si (111)晶面上。
3. 如权利要求2所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述AlxGai_xN步 进缓冲层包括Al a 75Gaa 25N缓冲层、Ala 5Gaa 5N缓冲层和Ala 25Gaa 75N缓冲层，所述Ala 75Gaa 25N 缓冲层、Α1α 5Gaa 5N缓冲层和Α1α 25Gaa 75N缓冲层从下到上依次生长在AIN成核层与AlN/GaN 应力补偿层之间。
4. 如权利要求3所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述A1N成核 层的厚度为30-300nm ;所述AlQ.75GaQ.25N缓冲层的厚度为120-150nm，所述Al Q.5GaQ.5N缓冲 层的厚度为150_200nm，所述Al Q.25GaQ.75N缓冲层的厚度为200-300nm，所述AlN/GaN应力 补偿层中A1N层的厚度为5-100nm，GaN层的厚度为50-2000nm ;所述Si掺η-GaN厚度为 1000-2000nm，其掺杂浓度为 5xl017-lxl019cnT3 ;所述 InyGai_yN/GaN 量子阱层中，InyGai_yN 阱 层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数为3-10 ;所述A1ZG&1_ZN电子阻挡层的厚度 为5-30nm ;所述的Mg掺p-GaN厚度为100-300nm。
5. 如权利要求1-4任一项所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述 AlN/GaN应力补偿层中A1N与GaN为交替生长的周期性结构，所述AlN/GaN应力补偿层层数 为3-5层。
【文档编号】H01L33/00GK203910839SQ201420307705
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】李国强 申请人:广州市众拓光电科技有限公司