CN104241479A - 一种基于硅基图形化衬底的复合缓冲层led芯片 - Google Patents
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Abstract
一种基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，属于硅基发光二极管芯片技术领域。针对现有硅基LED衬底层和外延层之间的热失配和晶格失配导致的出光效率及产品质量低的现状，本发明提供的芯片自下而上依次由硅衬底、复合协变缓冲层、图形化衬底层、n型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱、P型GaN层、透明导电膜及其电极组成。相对于现有硅基技术的LED芯片，本发明降低了衬底层和外延层之间的热失配，改善了晶格失配程度，有助于提高硅基LED芯片的出光效率和亮度，使芯片产品质量更加稳定。
Description
技术领域
本发明属于硅基发光二极管芯片技术领域，涉及一种在硅衬底上应用氮化钛和氮化铝复合协变层以降低热失配的LED芯片。
背景技术
随着单晶硅工艺的发展，利用硅作为LED的衬底具有相当大的应用价值，相对于目前常用的蓝宝石衬底有着很大的优势，主要有面积大、成本低、高质量、导电、导热性能良好等优点。因此，在硅衬底上生长GaN薄膜的研究受到了广泛关注。硅材料具有优良的物理性能，目前大规模生产高质量单晶硅的技术已经十分成熟，可以得到大面积价格低廉的单晶硅片。在硅衬底上制作LED将大大降低制造成本。但是，目前硅衬底上生长的GaN外延材料的质量还是不如蓝宝石衬底和SiC衬底上生长的外延层质量高。主要的原因是硅和GaN之间存在着巨大的晶格失配和热失配，当GaN外延层从生长温度（1050℃）降到室温时，衬底层和外延层会由于热膨胀，产生晶体生长缺陷。
发明内容
针对现有硅基LED衬底层和外延层之间的热失配和晶格失配导致的出光效率及产品质量低的现状，本发明提供了一种基于图形化衬底及复合协变缓冲层的LED芯片。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于图形化衬底的硅基复合缓冲层发光二极管芯片，自下而上依次由硅衬底、复合协变缓冲层、图形化衬底层、n型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱、P型GaN层、透明导电膜及其电极组成。
当硅基LED从生长温度1050℃降到室温的时候，巨大的热膨胀系数差在两种材料之间产生的巨大的热应力对LED整体性能的影响。针对这里产生的热应力，本发明提出了利用在衬底层和外延层之间插入应力协变缓冲层的办法使硅衬底和GaN外延层之间的热应力得到转移和释放。并且利用缓冲层良好的热化学稳定性，降低了GaN模板层中引入位错和缺陷的几率。同时利用缓冲层中各层材料之间热膨胀系数的不同，协调和释放衬底层和外延层之间多余的热应力。另外，利用缓冲层的交叠结构引入的更多界面，对其下的穿通位错向上增殖延伸作用进行了抑制。并且，针对目前协变缓冲层的不足，提出了新的协变缓冲层的设计方法。基于新的协变缓冲层对新结构的LED从1050℃下降到室温过程中的热应力形变进行了数值分析，并与未加入协变缓冲层的LED进行对比，从而来证明协变缓冲层对改善热应力引起的形变的效果。最后基于COMSOL Multiphysics软件建立多种协变缓冲层模型，分析不同结构对热应力引起的形变的改善效果，进而选择一个最优的协变缓冲层结构。
另外，为了解决硅衬底和GaN外延层之间存在的高晶格失配率问题，和有源区光子大量内反射问题，本发明借鉴了蓝宝石衬底上使用的PSS方法，将图形化衬底技术应用到硅衬底LED中，为提高硅衬底LED出光效率提供了新的思路，同时对硅衬底上的图形化刻蚀图案进行了优化选择，提出了一套适合于硅衬底的图形化方案。
本发明具有如下优点：
（1）本发明在硅衬底LED中引入图形化衬底，使得原本处于临界角范围外的光线通过图形的反射重新进入到临界角内出射，因此提高了光提取效率。
（2）本发明在硅衬底LED中引入图形化衬底，降低了外延层和衬底层之间的晶格失配，从而降低了后续工艺中晶体缺陷的产生，提高了LED的质量。
（3）本发明在硅衬底LED中引入复合协变缓冲层，利用缓冲层良好的热化学稳定性，降低了在GaN模板层中引入位错和缺陷的几率。改善了LED的质量。
（4）本发明在硅衬底LED中引入复合协变缓冲层，利用缓冲层中各层材料之间热膨胀系数的不同协调和释放陈底层和外延层之间多余的热应力，提高了LED的质量。
（5）本发明在硅衬底LED中引入复合协变缓冲层，缓冲层的交叠结构也将引入更多界面，这些增加的界面又起到阻止下面的穿通位错向上增殖延伸作用。降低了外延层和衬底层之间的晶格失配，从而降低了后续工艺中晶体缺陷的产生，提高了LED的质量。
（6）相对于现有硅基技术的LED芯片，本发明降低了衬底层和外延层之间的热失配，改善了晶格失配程度，有助于提高硅基LED芯片的出光效率和亮度，使芯片产品质量更加稳定。
附图说明
图1为图形化衬底结构示意图；
图2为基于图形化衬底的硅基复合缓冲层发光二极管芯片的结构示意图；
图3为复合协变缓冲层层数和缓冲效果之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图2所示，本发明提供了一种基于图形化衬底的硅基复合缓冲层发光二极管芯片，该芯片自下而上依次由硅衬底1、复合协变缓冲层、图形化衬底层4、n型GaN外延层5、InGaN/GaN多量子阱6、P型GaN层7、透明导电膜及其电极组成。
如图1所示，本发明所述的图形化衬底层4的成分为硅，图形化单元为圆形，图形化单元的半径为4～7微米之间，刻蚀厚度为1～3微米之间。
本发明所述的复合协变缓冲层为由氮化钛层2和氮化铝层3交替生长排列的多层结构，单层氮化钛厚度为单层氮化铝厚度的3/5。单层氮化钛与单层氮化铝的厚度在0.2～0.6微米之间。复合协变缓冲层的层数可在2～41层之间选择。
如图3所示，本发明研究了复合协变缓冲层层数和缓冲效果之间的关系，选择了最适合使用的16层复合协变缓冲层结构。
Claims (9)
1.一种基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述芯片自下而上依次由硅衬底、复合协变缓冲层、图形化衬底层、n型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱、P型GaN层、透明导电膜及其电极组成。
2.根据权利要求1所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述图形化衬底层的成分为硅。
3.根据权利要求1或2所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述图形化衬底层的图形化单元为圆形。
4.根据权利要求3所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述图形化单元的半径为4～7微米之间，刻蚀厚度为1～3微米之间。
5.根据权利要求1所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述的复合协变缓冲层为由氮化钛层和氮化铝层交替生长排列的多层结构。
6.根据权利要求5所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述单层氮化钛层的厚度为单层氮化铝层厚度的3/5。
7.根据权利要求5或6所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述氮化钛层和氮化铝层的单层厚度在0.2～0.6微米之间。
8.根据权利要求1或5所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述芯片中含有2～41层复合协变缓冲层。
9.根据权利要求8所述的基于硅基图形化衬底的复合缓冲层LED芯片，其特征在于所述复合协变缓冲层的层数为16层。
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