CN108110108B - Si基LED外延片及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种Si基LED外延片及制造方法，其特征在于，包括：Si衬底、在所述Si衬底上形成的缓冲层、以及在所述缓冲层上形成的发光结构；所述缓冲层包括在Si衬底上形成的第一AlN层、在第一AlN层上形成的GaN层、以及在GaN层上形成的第二AlN层。本发明克服了现有技术中，缓冲层为单一层AlN或其他构造的情况下，因为AlN和衬底之间的晶格失配以及热膨胀系数差值，为了遏制裂缝的产生必须在1000℃以上高温环境下形成的苛刻条件需求。且该结构能够显著减少位错缺陷，并且应用抗压应力能够防止产生裂缝，从而可以在Si衬底上形成带有低密度结晶缺陷且减少裂纹产生的发光二极管。
Description
技术领域
本发明属于LED外延片制造领域，尤其涉及一种Si基LED外延片及制造方法。
背景技术
氮化镓(GaN)是常温下3.4 eV的直接带隙 (Direct bandgap)半导体物质。0.7 eV带隙的氮化铟(InN)以及6.2 eV带隙的氮化铝和连续的固溶体形成之后，通过调节其组成比应用于从可视光线领域到紫外线领域，能释放宽波长带光的发光二极管。
为了制造高发光效率的发光二极管，需要生长厚的无结晶缺陷的氮化镓薄膜的技术。结晶缺陷主要是由于氮化镓薄膜和生长基板之间的晶格常数 (Lattice Constant)不整合和热膨胀系数 (Thermal Expansion Coefficient)差异而产生的。因此氮化镓薄膜生长基板的选择是为制造出电性优良的发光二极管所需的重要因素。
碳化硅(SiC)衬底具有与氮化镓的晶格常数差较小且耐高温，以及化学性稳定性好的优点。但是衬底价格高、制造量少，并不适合用于大量生产的发光二极管。虽然蓝宝石(Al2O3)衬底具有与氮化镓的晶格常数差较小的优点，但同时也有无法做到4inch以上的大口径化以及价格昂贵的问题。甚至蓝宝石作为绝缘物质，在LED制成时可能会出现热化问题。
因此作为蓝宝石衬底以及碳化Si衬底的替代方案，对于使用Si衬底方法的研究正在积极进行中。Si衬底不仅价格低廉且适用于各种半导体技术，因此，可直接适用于制造工艺。而且还具备电子传导性、热传导性好的优点。但是与硅具有立方晶格结构相反，氮化镓则具有六方晶格结构。Si衬底和氮化镓薄膜的热膨胀系数差值为53.6%，晶格常数差值为16.9%。因此Si衬底上生长的氮化镓薄膜会产生具有1010/㎠以上高密度的位错缺陷。氮化镓薄膜的厚度超过临界厚度的情况下，可能发生应力超过极限而可能会产生裂缝。
为了解决所述Si衬底的问题，现有技术提出了在Si衬底与氮化镓层之间生长氮化铝缓冲层的方法。但是，为了在Si衬底上生长高品质的氮化铝缓冲层要求1000℃以上的高温。同时，在单一氮化铝缓冲层上生长的氮化镓薄膜仍有高概率结晶缺陷这一问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足和空白，本发明采用以下技术方案：
一种Si基LED外延片，其特征在于，包括：Si衬底、在所述Si衬底上形成的缓冲层、以及在所述缓冲层上形成的发光结构；所述缓冲层包括在Si衬底上形成的第一AlN层、在第一AlN层上形成的GaN层、以及在GaN层上形成的第二AlN层。
优选地，所述缓冲层的厚度为0.4 ㎛到2 ㎛。
优选地，所述第一AlN层和第二AlN层的厚度相同，所述GaN层的厚度为第一AlN层厚度的两倍。
以及，一种Si基LED外延片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在Si衬底上形成第一AlN层；
步骤二：在所述第一AlN层上形成GaN层；
步骤三：在所述GaN层上形成第二AlN层；
步骤四：在所述GaN层上形成发光结构。
优选地，所述第一AlN层的形成和第二AlN层的形成是在200℃到400℃的温度条件下进行的。
优选地，所述GaN层的形成是在500℃到700℃的温度条件下进行的。
优选地，步骤一中的第一AlN层和步骤三中的第二AlN层厚度相同，且步骤二中的GaN层的厚度为第一AlN层厚度的两倍。
优选地，所述缓冲层的厚度为0.4 ㎛到2 ㎛。
本发明的主要创新点在于构造了一种形成在Si衬底上的由2层AlN层及设置在2层AlN层之间的GaN层形成的3层缓冲层。克服了现有技术中，缓冲层为单一层AlN或其他构造的情况下，因为AlN和衬底之间的晶格失配以及热膨胀系数差值，为了遏制裂缝的产生必须在1000℃以上高温环境下形成的苛刻条件需求。且该结构能够显著减少位错缺陷，并且应用抗压应力能够防止产生裂缝，从而可以在Si衬底上形成带有低密度结晶缺陷且减少裂纹产生的发光二极管。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为现有技术中Si基LED外延片截面结构示意图；
图2为本发明实施例的截面结构示意图；
图3为本发明实施例的制造方法流程截面结构示意图；
图中：100-Si衬底；110-现有技术的AlN缓冲层；210-缓冲层；211-第一AlN层；213-GaN层；215-第二AlN层；130-发光结构；131-第一导电型氮化物半导体层；133-活性层；135-第二导电型氮化物半导体层。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，在现有技术中，Si衬底100上形成了AlN缓冲层110。AlN缓冲层110上形成了发光结构130。发光结构130包括AlN缓冲层110上形成的第一导电型氮化物半导体层131, 第一导电型氮化物半导体层131上形成的活性层133以及活性层133上形成的第二导电型氮化物半导体层135。
其中，AlN缓冲层110 是由单一层氮化铝薄膜构成的。为了克服Si衬底100和氮化铝AlN缓冲层110之间晶格常数的差异，AlN缓冲层110必须生长足够的厚度。一般来说，由氮化铝单一层构成的缓冲层是在2㎛以上的厚度下形成的。为了缓解Si衬底100和氮化铝薄膜之间的晶格常数以及热膨胀系数差异而产生的压力，氮化铝必须在足够高的温度下形成。氮化铝层是在800 ℃以上的高温下形成的，通常是在1000℃以上形成。这种高温工程存在增加发光二极管制造工程成本的问题。
现有技术直接AlN缓冲层110上形成了发光结构130。发光结构130包括第一导电型氮化物半导体层131, 第一导电型氮化物半导体层131上形成的活性层133以及活性层133上形成的第二导电型氮化物半导体层135。其中，第一导电型氮化物半导体层131一般为n型半导体层，即由氮化物半导体掺杂n型杂质形成的；而活性层133是电子和空穴重新组合的主要发光区域，能够在单一量子阱结构和多量子阱结构下形成。活性层133一般是由不同构成和带隙的氮化物半导体交替堆积而成的。而第二导电型氮化物半导体层135一般为p型半导体层，即由氮化物半导体掺杂p杂质构成的。
如图2所示，在本发明实施例中，与现有技术的主要差异在于缓冲层210，即，在本发明实施例中：缓冲层210包括在Si衬底100上形成的第一AlN层211、在第一AlN层211上形成的GaN层213、以及在GaN213层上形成的第二AlN层215。在本发明实施例中，在缓冲层210之上，也形成有发光结构130，发光结构130包括AlN缓冲层110上形成的第一导电型氮化物半导体层131, 第一导电型氮化物半导体层131上形成的活性层133以及活性层133上形成的第二导电型氮化物半导体层135。
其中，为了更好地解决Si衬底100与氮化物半导体之间的晶格失配，在本发明实施例中采用的由2层AlN层及设置在2层AlN层之间的GaN层形成的3层缓冲层结构。
在本发明实施例中，第一AlN层211、第二AlN层215可以是在低温条件下（200℃到400℃）形成的氮化铝（AlN）薄膜，在该条件下形成的氮化铝薄膜的结晶性低并带有粗糙的表面。虽然在第一AlN层211上形成的GaN层213大部分为非结晶的氮化镓晶种，但是通过对温度条件的控制（500℃到700℃），使非结晶的氮化镓晶种停止生长，而结晶的氮化镓晶种继续生长从而在第一AlN层211上形成能提供高结晶性和方向性的GaN层213。
第二AlN层215是在GaN层213上形成的，由于GaN层213提供了高结晶性和方向性，虽然第二AlN层215也是在低温条件下（200℃到400℃）形成的，但是其与第一AlN层211相比有更好的结晶性和方向性，从而在第二AlN层215于GaN层213形成良好的晶格组合，形成过渡区厚度薄、晶格缺陷低的高品质薄膜，以利于其上的发光结构130的形成，能够更有效地缓解晶格失配。
在本实施例中，缓冲层210的厚度为0.4 ㎛到2 ㎛。
第一AlN层211和第二AlN层215的厚度相同，GaN层213的厚度为第一AlN层211与第二AlN层213的厚度之和。
如图3所示，本实施例的制造方法包括以下步骤：步骤一：在Si衬底100上形成第一AlN层211；
步骤二：在第一AlN层211上形成GaN层213；
步骤三：在GaN层213上形成第二AlN层215；
步骤四：在GaN层213上形成发光结构130。
第一AlN层211的形成和第二AlN层215的形成是在200℃到400℃的温度条件下进行的，在本实施例中，第一AlN层211的形成可在该温度条件下利用喷溅工艺形成，厚度可为100nm到500nm，形成的第一AlN层211可能是非晶型氮化铝薄膜；第二AlN层215可在该温度条件下利用喷溅工艺形成，厚度可为100nm到500nm。
GaN层213的形成是在500℃到700℃的温度条件下进行的，在本实施例中，GaN层213利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法形成的，厚度可为第一AlN层211的两倍。
在本实施例中，缓冲层210的厚度为0.4 ㎛到2 ㎛。
在本实施例中，当发光结构130是通过化学气相沉积(CVD)的方法形成的情况下，第一导电型氮化物半导体层131、活性层133、第二导电型氮化物半导体层135可在同一腔体内通过调节原料气体的注入形成。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的Si基LED外延片及制造方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种Si基LED外延片，其特征在于，包括：Si衬底、在所述Si衬底上形成的缓冲层、以及在所述缓冲层上形成的发光结构；所述缓冲层包括在Si衬底上形成的第一AlN层、在第一AlN层上形成的GaN层、以及在GaN层上形成的第二AlN层；所述第一AlN层的形成和第二AlN层的形成是在200℃到400℃的温度条件下进行的；所述GaN层的形成是在500℃到700℃的温度条件下进行的。
2.根据权利要求1所述的Si基LED外延片，其特征在于：所述缓冲层的厚度为0.4 ㎛到2㎛。
3.根据权利要求1所述的Si基LED外延片，其特征在于：所述第一AlN层和第二AlN层的厚度相同，所述GaN层的厚度为第一AlN层厚度的两倍。
4.一种Si基LED外延片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在Si衬底上形成第一AlN层；
步骤二：在所述第一AlN层上形成GaN层；
步骤三：在所述GaN层上形成第二AlN层；
步骤四：在所述GaN层上形成发光结构；
所述第一AlN层的形成和第二AlN层的形成是在200℃到400℃的温度条件下进行的；
所述GaN层的形成是在500℃到700℃的温度条件下进行的。
5.根据权利要求4所述的Si基LED外延片的制造方法，其特征在于：步骤一中的第一AlN层和步骤三中的第二AlN层厚度相同，且步骤二中的GaN层的厚度为第一AlN层厚度的两倍。
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