CN104037288A - 一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 - Google Patents
一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104037288A CN104037288A CN201410256441.8A CN201410256441A CN104037288A CN 104037288 A CN104037288 A CN 104037288A CN 201410256441 A CN201410256441 A CN 201410256441A CN 104037288 A CN104037288 A CN 104037288A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- gan
- resilient coating
- aln
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 14
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 29
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 79
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 79
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 12
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 abstract 2
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 abstract 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 4
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000002017 high-resolution X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02455—Group 13/15 materials
- H01L21/02458—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/12—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/16—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种生长在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。本发明采用此结构外延生长量子阱层、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。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延片，特别是一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法。
背景技术
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。
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。
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℃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。
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。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法，本发明采用AlN及AlxGa1-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4μm，高质量的GaN薄膜；同时采用此结构外延生长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，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。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
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，其中，x为0-1，y为0-1，z为0-1。
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AlN成核层生长在Si(111)晶面上。
优选的，所述AlxGa1-xN步进缓冲层包括Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层，所述Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层从下到上依次生长在AlN成核层与AlN/GaN应力补偿层之间。
优选的，所述AlN成核层的厚度为30-300nm；所述Al0.75Ga0.25N缓冲层的厚度为120-150nm，所述Al0.5Ga0.5N缓冲层的厚度为 150-200nm，所述Al0.25Ga0.75N缓冲层的厚度为200-300nm，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN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n-GaN厚度为1000-2000nm，其掺杂浓度为5x1017-1x1019cm-3；所述InyGa1-yN/GaN量子阱层中，InyGa1-yN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数为3-10；所述AlzGa1-zN电子阻挡层的厚度为5-30nm；所述的Mg掺p-GaN厚度为100-300nm。
生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，包括步骤：
1)选择Si衬底，以Si(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；
2)Si衬底表面处理：对Si衬底表面进行清洗以及退火处理；
3)在Si衬底(111)晶面依次进行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层的外延生长，获得所述生长在Si衬底上的LED外延片，其中，x为0-1，y为0-1，z为0-1。
优选的，所述步骤2)中清洗工艺是将Si衬底用高浓度的HF溶液进行刻蚀，时间为30s-3min，然后用离子水对Si衬底润洗15-30次，最后用氮气枪将其吹净；所述HF溶液体积比为HF:H2O＝1:1；所述退火处理是将Si衬底放入反应室内在1050-1100℃H2环境下高温热退火。
所述AlxGa1-xN步进缓冲层包括Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层，所述Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层从下到上依次生长在AlN成核层与AlN/GaN应力补偿层之间。
优选的，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层的外延生长均采用金属有机化学气相沉积工艺，所述AlN成核层外延生长时Si衬底温度为600-1100℃，所述AlxGa1-xN步进缓冲层外延生长时Si衬底温度为700-1080℃，所述AlN/GaN应力补偿层外延生长时Si衬底温度为700-1080℃，所述Si掺n-GaN层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃，所述InyGa1-yN/GaN量子阱层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃，所述AlzGa1-zN电子阻挡层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃，所述Mg掺p-GaN层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃。
优选的，所述AlN成核层的厚度为30-300nm；所述Al0.75Ga0.25N缓冲层的厚度为120-150nm，所述Al0.5Ga0.5N缓冲层的厚度为150-200nm，所述Al0.25Ga0.75N缓冲层的厚度为200-300nm，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN层的厚度为5-100nm，GaN层的厚度为50-2000nm，所述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n-GaN厚度为1000-2000nm，其掺杂浓度为5x1017-1x1019cm-3；所述InyGa1-yN/GaN量子阱层中，InyGa1-yN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数 为3-10；所述AlzGa1-zN电子阻挡层的厚度为5-30nm；所述的Mg掺p-GaN厚度为100-300nm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用AlN及AlxGa1-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，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；
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4μm，高质量的GaN薄膜；同时采用此结构外延生长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，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％。
附图说明
图1为本发明生长在Si衬底上的LED外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例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；
图3为本发明实施例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；
图4为本发明实施例1制备的生长在Si衬底上的LED外延片的低温PL测试图；
其中，1为Si衬底，2为AlN成核层，3为Al0.75Ga0.25N缓冲层，4为Al0.5Ga0.5N缓冲层，5为Al0.25Ga0.75N缓冲层，6为AlN/GaN应力补偿层，7为Si掺n-GaN层，8为InyGa1-yN/GaN量子阱层，9为AlzGa1-zN电子阻挡层，10为Mg掺p-GaN层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为本发明生长在Si衬底上的LED外延片，包括Si衬底1、AlN成核层2、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺n-GaN层7、InyGa1-yN/GaN量子阱层8、AlzGa1-zN电子阻挡层9和Mg掺p-GaN层10，所述AlN成核层2、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺n-GaN层7、InyGa1-yN/GaN量子阱层8、AlzGa1-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。
优选方案中，所述AlxGa1-xN步进缓冲层包括Al0.75Ga0.25N缓冲层3、Al0.5Ga0.5N缓冲层4和Al0.25Ga0.75N缓冲层5，所述Al0.75Ga0.25N缓冲层3、Al0.5Ga0.5N缓冲层4和Al0.25Ga0.75N缓冲层5从下到上依次生长在AlN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(0001)晶面平行于Si(111)晶面，所述AlN成核层2生长在Si衬底1(111)晶面上，Al0.75Ga0.25N缓冲层3、Al0.5Ga0.5N缓冲层4、Al0.25Ga0.75N缓冲层5、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺n-GaN层7、InyGa1-yN/GaN量子阱层8、AlzGa1-zN电子阻挡层9和Mg掺p-GaN层10依次生长在 AlN成核层2上。
实施例1
生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
(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(111)。
(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:H2O＝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℃经行高温热退火。
(3)Si衬底温度为1100℃，在硅衬底上预铺一层Al原子层，防止硅衬底同NH3接触反应生成SiN，接着通入NH3将Al原子层氮化。
(4)Si衬底温度为1100℃，在步骤(2)所述的氮化后的AlN层上外延AlN成核层，其厚度为50nm。
(5)Si衬底温度为800℃，在步骤(3)所述AlN成核层上生长AlxGa1-xN步进缓冲层；依次生长150nm的Al0.75Ga0.25N缓冲层、200nm的Al0.5Ga0.5N缓冲层和220nm的Al0.25Ga0.75N缓冲层。
(6)在步骤(5)所述Al0.25Ga0.75N缓冲层上生长AlN/GaN应力补偿层，其中AlN层的生长温度为700℃,厚度为5nm；其上GaN层的生长温度为1000℃,厚度为250nm，生长4个周期。
(7)Si衬底温度为1000℃，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5x1017cm-3，厚度为1500nm；
(8)保持Si衬底温度为1000℃，在步骤(7)所述的Si掺n-GaN层上依次外延In0.15Ga0.85N/GaN量子阱层、Al0.1Ga0.9N电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，其中In0.15Ga0.85N量子阱层厚度为3nm，GaN垒层厚度为10nm，生长10个周期；Al0.1Ga0.9N电子阻挡层厚度为5nm，Mg掺p-GaN层为150nm。
步骤(4)-(8)均采用金属有机化学气相沉积工艺。
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400arcsec，GaN(10-12)的半峰宽值为538arcsec；表明在Si(111)衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。
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。
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。
实施例2
生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
(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(111)。
(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:H2O＝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1100℃经行高温热退火。
(3)Si衬底温度为600℃，在硅衬底上预铺一层Al原子层，防止硅衬底同NH3接触反应生成SiN，接着通入NH3将Al原子层氮化。
(4)Si衬底温度为600℃，在步骤(2)所述的氮化后的AlN层上外延AlN成核层，其厚度为100nm。
(5)Si衬底温度为800℃，在步骤(3)所述AlN成核层上生长AlxGa1-xN步进缓冲层；依次生长120nm的Al0.75Ga0.25N缓冲层、180nm的Al0.5Ga0.5N缓冲层和250nm的Al0.25Ga0.75N缓冲层。
(6)在步骤(5)所述Al0.25Ga0.75N缓冲层上生长AlN/GaN应力补偿层，其AlN层的生长温度为1000℃,厚度为10nm；其上GaN层的生长温度为1080℃,厚度为500nm，生长3个周期。
(7)Si衬底温度为1050℃，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1x1019cm-3厚度为1500nm。
(8)保持Si衬底温度为1050℃，在步骤(7)所述的Si掺n-GaN层上依次外延In0.2Ga0.8N/GaN量子阱层、Al0.15Ga0.85N电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，其中In0.2Ga0.8N量子阱层厚度为4nm，GaN垒层厚 度为12nm，生长9个周期；Al0.15Ga0.85N电子阻挡层厚度为20nm，Mg掺p-GaN层为200nm。
步骤(4)-(8)均采用金属有机化学气相沉积工艺。
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。
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发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
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、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，其中，x为0-1，y为0-1，z为0-1。
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AlN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AlxGa1-xN步进缓冲层包括Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层，所述Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层从下到上依次生长在AlN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AlN成核层的厚度为30-300nm；所述Al0.75Ga0.25N缓冲层的厚度为120-150nm，所述Al0.5Ga0.5N缓冲层的厚度为150-200nm，所述Al0.25Ga0.75N缓冲层的厚度为200-300nm，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN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n-GaN厚度为1000-2000nm，其掺杂浓度为5x1017-1x1019cm-3；所述InyGa1-yN/GaN量子阱层中，InyGa1-yN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数为3-10；所述AlzGa1-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.权利要求1所述生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1)选择Si衬底，以Si(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；
2)Si衬底表面处理：对Si衬底表面进行清洗以及退火处理；
3)在Si衬底(111)晶面依次进行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层的外延生长，获得所述生长在Si衬底上的LED外延片，其中，x为0-1，y为0-1，z为0-1。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中清洗工艺是将Si衬底用高浓度的HF溶液进行刻蚀，时间为30s-3min，然后用离子水对Si衬底润洗15-30次，最后用氮气枪将其吹净；所述HF溶液体积比为HF:H2O＝1:1；所述退火处理是将Si衬底放入反应室内在1050-1100℃H2环境下高温热退火。
7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述AlxGa1-xN步进缓冲层包括Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层，所述Al0.75Ga0.25N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层和Al0.25Ga0.75N缓冲层从下到上依次生长在AlN成核层与AlN/GaN应力补偿层之间。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，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层的外延生长均采用金属有机化学气相沉积工艺，所述AlN成核层外延生长时Si衬底温度为600-1100℃，所述AlxGa1-xN步进缓冲层外延生长时Si衬底温度为700-1080℃，所述AlN/GaN应力补偿层外延生长时Si衬底温度为700-1080℃，所述Si掺n-GaN层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃，所述InyGa1-yN/GaN量子阱层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃，所述AlzGa1-zN电子阻挡层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃，所述Mg掺p-GaN层外延生长时Si衬底温度为900-1100℃。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述AlN成核层的厚度为30-300nm；所述Al0.75Ga0.25N缓冲层的厚度为120-150nm，所述Al0.5Ga0.5N缓冲层的厚度为150-200nm，所述Al0.25Ga0.75N缓冲层的厚度为200-300nm，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN层的厚度为5-100nm，GaN层的厚度为50-2000nm，所述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n-GaN厚度为1000-2000nm，其掺杂浓度为5x1017-1x1019cm-3；所述InyGa1-yN/GaN量子阱中，InyGa1-yN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数为3-10；所述AlzGa1-zN电子阻挡层的厚度为5-30nm；所述的Mg掺p-GaN厚度为100-300nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410256441.8A CN104037288B (zh) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | 一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410256441.8A CN104037288B (zh) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | 一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104037288A true CN104037288A (zh) | 2014-09-10 |
| CN104037288B CN104037288B (zh) | 2018-02-16 |
Family
ID=51467985
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410256441.8A Active CN104037288B (zh) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | 一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104037288B (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105679899A (zh) * | 2016-03-02 | 2016-06-15 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN106952856A (zh) * | 2017-01-26 | 2017-07-14 | 中国科学院半导体研究所 | 氮化物纳米带的制备方法 |
| CN107425821A (zh) * | 2017-08-25 | 2017-12-01 | 华南理工大学 | 一种用于声波器件的低应力状态单晶AlN及其制备与应用 |
| CN109216510A (zh) * | 2017-06-29 | 2019-01-15 | 苏州新纳晶光电有限公司 | 一种延缓led应力的外延片生长方法 |
| CN109786217A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-05-21 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片的制造方法 |
| CN110246942A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-09-17 | 佛山市国星半导体技术有限公司 | 一种高晶体质量的外延结构 |
| WO2022170564A1 (zh) * | 2021-02-10 | 2022-08-18 | 重庆康佳光电技术研究院有限公司 | 外延结构、发光器件和外延结构的制作方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103258844A (zh) * | 2012-02-17 | 2013-08-21 | 台积固态照明股份有限公司 | 在硅衬底上生长高品质的iii-v族化合物层的方法 |
-
2014
- 2014-06-10 CN CN201410256441.8A patent/CN104037288B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103258844A (zh) * | 2012-02-17 | 2013-08-21 | 台积固态照明股份有限公司 | 在硅衬底上生长高品质的iii-v族化合物层的方法 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105679899A (zh) * | 2016-03-02 | 2016-06-15 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN106952856A (zh) * | 2017-01-26 | 2017-07-14 | 中国科学院半导体研究所 | 氮化物纳米带的制备方法 |
| CN109216510A (zh) * | 2017-06-29 | 2019-01-15 | 苏州新纳晶光电有限公司 | 一种延缓led应力的外延片生长方法 |
| CN107425821A (zh) * | 2017-08-25 | 2017-12-01 | 华南理工大学 | 一种用于声波器件的低应力状态单晶AlN及其制备与应用 |
| CN107425821B (zh) * | 2017-08-25 | 2023-09-26 | 华南理工大学 | 一种用于声波器件的低应力状态单晶AlN及其制备与应用 |
| CN109786217A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-05-21 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片的制造方法 |
| CN110246942A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-09-17 | 佛山市国星半导体技术有限公司 | 一种高晶体质量的外延结构 |
| WO2022170564A1 (zh) * | 2021-02-10 | 2022-08-18 | 重庆康佳光电技术研究院有限公司 | 外延结构、发光器件和外延结构的制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104037288B (zh) | 2018-02-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104037288B (zh) | 一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 | |
| CN104037284A (zh) | 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN102945898B (zh) | 生长在金属Ag衬底上的AlN薄膜及其制备方法、应用 | |
| CN103296066B (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用 | |
| CN103035789B (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性蓝光LED外延片及其制备方法 | |
| CN104037291A (zh) | 一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜及其制备方法 | |
| CN103996764B (zh) | 生长在Ag衬底的LED外延片及其制备方法和应用 | |
| CN102544276A (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜及其制备方法、应用 | |
| CN203950831U (zh) | 生长在Cu衬底的LED外延片 | |
| CN103996611B (zh) | 一种生长在金属Al衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN203085627U (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性蓝光LED外延片 | |
| CN203910838U (zh) | 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜 | |
| CN203910839U (zh) | 一种生长在Si衬底上的LED外延片 | |
| CN103296158A (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的掺杂GaN薄膜及其制备方法 | |
| CN202454605U (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜 | |
| WO2020228336A1 (zh) | 一种基于GaN的LED外延片及其制备方法 | |
| CN203895485U (zh) | 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片 | |
| CN103996758A (zh) | 生长在Cu衬底的LED外延片及其制备方法和应用 | |
| CN203895486U (zh) | 生长在Ag衬底上的LED外延片 | |
| CN104934507A (zh) | Led外延结构及其制备方法 | |
| CN104157756A (zh) | 生长在Zr衬底上的LED外延片及其制备方法 | |
| CN203983319U (zh) | 生长在w衬底上的led外延片 | |
| CN203983321U (zh) | 生长在Zr衬底上的LED外延片 | |
| CN204067412U (zh) | 生长在W衬底上的AlN薄膜 | |
| CN204204895U (zh) | 生长在Cu衬底的GaN薄膜 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A LED epitaxial wafer grown on Si substrate and its preparation method Granted publication date: 20180216 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Guangzhou Liwan branch Pledgor: GUANGZHOU ZHONGTUO PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2024980017867 |