CN112736171A - 硅衬底GaN基LED及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅衬底GaN基LED及其制备方法，其中，硅衬底GaN基LED从下至上依次包括：硅衬底、多层位错过滤缓冲层、UGaN层、NGaN电流扩展层、有源区应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型GaN电流扩展层及P型欧姆接触层，其中，多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和多层不同Al组分的AlxGa1‑xN层，其中，0≤x≤1，或多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN超晶格结构，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。该GaN基LED具有低位错密度(小于2E8/cm2)、高质量的有源区生长质量，且低点缺陷密度，尤其适用于大尺寸(6/8英寸)硅外延生长GaN基蓝(绿)光LED外延生长，可应用于微显示领域，在新型显示领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种硅衬底GaN基LED及其制备方。
背景技术
高质量GaN基LED在新型显示当中具有重要意义，由于硅(Si)衬底具有大尺寸、易剥离、兼容CMOS工艺等特点，对于micro尺寸的LED来说硅衬底是重要的选择之一。但是，GaN对于Si衬底来说是一种异质外延结构，晶格常数失配度高达17％，且Si衬底和GaN之间存在超过56％的热失配，导致GaN生长在硅衬底上面较生长在蓝宝石、SiC、GaN等衬底上来说面临更多的困难。
目前，大部分研究硅衬底GaN基LED材料的缺陷密度都是超过5E8/cm2，相对于蓝宝石等其他常规衬底，缺陷密度比较大。虽然对于常规尺寸的LED来说，这一缺陷密度下也能够正常工作，但是对于小尺寸LED来说，小电流下光电复合效率会比较低，会对其发光造成严重影响。且硅基外延生长的LED常规结构量子阱的点缺陷密度比较高，对获得高质量的适合小尺寸LED应用的蓝绿光LED同样是挑战。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种硅衬底GaN基LED及其制备方法，有效解决现有硅衬底GaN基LED缺陷密度过高影响出光的技术问题。
本发明提供的技术方案为：
一方面，本发明提供了一种硅衬底GaN基LED，所述从下至上依次包括：硅衬底、多层位错过滤缓冲层、UGaN层、NGaN电流扩展层、有源区应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型GaN电流扩展层及P型欧姆接触层，其中，所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和多层不同Al组分的AlxGa1-xN层，其中，0≤x≤1，或所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
另一方面，本发明提供了一种硅衬底GaN基LED制备方法，包括：
在硅衬底表面生长多层位错过滤缓冲层，所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和多层不同Al组分的AlxGa1-xN层，其中，0≤x≤1，或所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中，0≤x≤1，0≤y≤1；
依次在所述多层位错过滤缓冲层表面生长UGaN层、NGaN电流扩展层、有源区应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型GaN电流扩展层及P型欧姆接触层，完成硅衬底GaN基LED的制备。
本发明提供的硅衬底GaN基LED及其制备方法，结合多层位错过滤缓冲层(大幅淹没生长过程中的位错)、高Ⅴ/Ⅲ比和高温慢长生长方式在硅衬底表面生长出高质量的GaN层；同时通过多层GaN/InGaN超晶格层、蓝(绿)光浅阱控制内部应力，在高Ⅴ/Ⅲ比下生长得到低点缺陷的高质量蓝(绿)光GaN基LED。该GaN基LED具有低位错密度(小于2E8/cm2)、高质量的有源区生长质量，且低点缺陷密度，尤其适用于大尺寸(6/8英寸)硅外延生长GaN基蓝(绿)光LED外延生长，可应用于微显示领域，在新型显示领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明硅衬底GaN基LED结构示意图。
附图标记：
101-硅衬底，102-多层位错过滤缓冲层，103-UGaN层，104-NGaN电流扩展层，105-有源区应力释放层，106-多量子阱发光层，107-电子阻挡层，108-P型GaN电流扩展层，109-P型欧姆接触层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
如图1所示为本发明提供的硅衬底GaN基LED结构示意图，从图中可以看出，该硅衬底GaN基LED从下至上依次包括：硅衬底101、多层位错过滤缓冲层102、UGaN层103、NGaN电流扩展层104、有源区应力释放层105、多量子阱发光层106、电子阻挡层107、P型GaN电流扩展层108及P型欧姆接触层109，其中，多层位错过滤缓冲层102中包括一AlN层和多层不同Al组分的AlxGa1-xN层，其中，0≤x≤1，或多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
硅衬底为(111)晶向的衬底；UGaN层103中Ⅴ/Ⅲ比大于200，且高温慢速(生长温度为1050～1100℃，长速2～4.5μm/h，生长厚度为0.5-5μm)生长得到，以提高GaN生长质量，生长厚度为0.5-5μm。为了获得高质量外延，NGaN电流扩展层104采用掺硅NGaN/不掺硅UGaN超晶格结构，其中，超晶格总平均掺硅浓度为5e18～2e19，且掺硅NGaN的厚度为1～50nm，不掺硅UGaN的厚度为1～50nm，生长厚度为1.5～3μm，生长温度为1050～1100℃。有源区应力释放层105中包括多层InGaN/GaN超晶格层及蓝光/绿光浅阱，其中，In浓度越靠近多量子阱发光层越高；多量子阱发光层106中MQW个数为5～10，Ⅴ/Ⅲ比大于2000，势垒层生长速度为1～3nm/min。电子阻挡层107为Mg掺杂的p-AlGaN bulk层或者p-AlGaN/GaN超晶格层；P型GaN电流扩展108层为Mg掺杂的GaN；P型欧姆接触层109为高Mg掺杂的GaN层或者InGaN层。
以下通过实例对硅衬底GaN基LED的制备流程进行进一步的说明：
实施例一：
首先，将200mm大尺寸的(111)晶向的硅衬底放入MOCVD反应室中，在70torr压力、1050℃温度的条件下高温H2处理5min，去除表面氧化物。
之后，在75torr压力、1000℃温度的条件下通入300sccm的Al，时间为10s，保持气流生长200nm的AlN层及生长Al组分为50％、30％和12.5％的3层AlGaN层，厚度分别为150nm、100nm和100nm，形成多层位错过滤缓冲层。
之后，改变气氛至100torr压力、1070℃温度、Ⅴ/Ⅲ比为250的生长条件生长2500nm厚度的高质量UGaN层。
之后，再次改变生长条件至200torr压力、1050℃温度的生长条件，在UGaN层上生长2100nm厚度的NGaN/UGaN超晶格结构的NGaN电流扩展层；其中，超晶格结构中NGaN层和UGaN层的厚度为25nm和5nm，生长70个周期；NGaN/UGaN超晶格结构中整体硅平均掺杂浓度为1.5e19。
表1为硅衬底表面不同位置的位错点和位错密度数据，从表中可以看出，该NGaN电流扩展层中的位错密度较低，6个不同位置的平均位错点数量为168，平均位错密度为1.525e8/cm2，低于2e8/cm2，能够适用于微型LED的应用需求。
表1：硅衬底表面不同位置的位错点和位错密度数据
实施例二：
采用实施例一中的方法在硅衬底表面生长储位错密度的NGaN电流扩展层之后，将反应室温度降低到800℃～900℃，以N2作为载气，持续通入TMGa和NH3，间歇性的通入三甲基铟(TMIn)，交替生长30对In0.05Ga0.45N0.5/GaN超晶格结构作为有源区应力释放层(准备层)1，其中，In0.05Ga0.45N0.5层的厚度为1nm，GaN层的厚度为3nm。
之后，生长6对In0.08Ga0.42N0.5/GaN多量子浅阱结构作为有源区应力释放层(准备层)2，其中，In0.08Ga0.42N0.5层的厚度为3nm，GaN层的厚度为11nm，GaN量子垒中硅掺杂浓度为5e17cm-3，In0.08Ga0.42N0.5量子阱为非故意掺杂。在生长过程中，以N2作为载气，在780℃～800℃温度的生长条件下生长In0.08Ga0.42N0.5量子阱后，将反应室温度升高到850℃～880℃，生长GaN量子垒，以此重复生长6对。
之后，生长为8对In0.15Ga0.35N0.5/GaN多量子阱结构作为有源区发光层(发光波长约为450nm)，其中，In0.15Ga0.35N0.5层的厚度为3nm，GaN层的厚度为11nm，GaN量子垒中的硅掺杂浓度为5e17cm-3，势垒层的生长速度为2nm/min，In0.15Ga0.35N0.5量子阱为非故意掺杂，Ⅴ/Ⅲ为2500。在生长过程中，以N2作为载气，在740℃～780℃温度的生长条件下生长In0.15Ga0.35N0.5量子阱后，将反应室温度升高到840℃～880℃，生长GaN量子垒，以此重复生长8对。
之后，将反应室温度调整为750℃～950℃之间，通入TMAl、TMGa、NH3，以H2或者N2作为载气，以二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂，生长厚度为30nm～80nm的Al0.15Ga0.35N0.5层得到电子阻挡层，Mg掺杂浓度为3×1019cm-3的。
之后，将反应室温度调整为900℃～1000℃，以H2或者N2作为载气，生长厚度为60nm～100nm的GaN层作为P型GaN电流扩展层，Mg掺杂浓度2×1019cm-3。
最后，将反应室温度调整为900℃～1000℃，以H2或者N2作为载气，生长厚度为10nm～20nm的GaN层作为P型欧姆接触层，Mg掺杂浓度1×1020cm-3。
上述高质量的蓝光LED长完安排荧光显微镜测试，测试结果如下，表面均匀，没有明显In富集区域，得到GaN基蓝光LED。
实施例三：
采用实施例一中的方法在硅衬底表面生长储位错密度的NGaN电流扩展层之后，将反应室温度降低到800℃～900℃，以N2作为载气，持续通入TMGa和NH3，间歇性的通入三甲基铟(TMIn)，交替生长30对In0.08Ga0.42N0.5超晶格结构作为有源区应力释放层(准备层)1，其中，In0.08Ga0.42N0.5层的厚度为1nm，GaN层的厚度为3nm。
之后，生长4对In0.15 Ga0.35N0.5/GaN多量子浅阱结构作为有源区应力释放层(准备层)2，其中，In0.15 Ga0.35N0.5层的厚度为3nm，GaN层的厚度为11nm，GaN量子垒中硅掺杂浓度为5e17cm-3，In0.15 Ga0.35N0.5量子阱为非故意掺杂。在生长过程中，以N2作为载气，在750℃～800℃温度的生长条件下生长In0.15Ga0.35N0.5量子阱后，将反应室温度升高到850℃～880℃，生长GaN量子垒，以此重复生长4对。
之后，生长为8对In0.25 Ga0.25N0.5/GaN多量子阱结构作为有源区发光层(发光波长约为530nm)，其中，In0.25 Ga0.25N0.5层的厚度为3nm，GaN层的厚度为12nm，GaN量子垒中的硅掺杂浓度为5e17cm-3，势垒层的生长速度为2nm/min，In0.25 Ga0.25N0.5/GaN量子阱为非故意掺杂，Ⅴ/Ⅲ为3000。在生长过程中，以N2作为载气，在680℃～730℃温度的生长条件下生长In0.15Ga0.85N量子阱后，将反应室温度升高到850℃～900℃，生长GaN量子垒，以此重复生长8对。
之后，将反应室温度调整为750℃～950℃之间，通入TMAl、TMGa、NH3，以H2或者N2作为载气，以二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂，生长厚度为30nm～80nm的Al0.15Ga0.35N0.5层得到电子阻挡层，Mg掺杂浓度为3×1019cm-3的。
之后，将反应室温度调整为900℃～1000℃，以H2或者N2作为载气，生长厚度为90nm～160nm的GaN层作为P型GaN电流扩展层，Mg掺杂浓度2×1019cm-3。
最后，将反应室温度调整为900℃～1000℃，以H2或者N2作为载气，生长厚度为10nm～20nm的GaN层作为P型欧姆接触层，Mg掺杂浓度1×1020cm-3。
对生长得到的GaN基绿光LED进行荧光显微镜测试，结果表明，表面均匀，没有明显In富集区域。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种硅衬底GaN基LED，其特征在于，所述从下至上依次包括：硅衬底、多层位错过滤缓冲层、UGaN层、NGaN电流扩展层、有源区应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型GaN电流扩展层及P型欧姆接触层，其中，所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和多层不同Al组分的AlxGa1-xN层，其中，0≤x≤1，或所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
2.如权利要求1所述的硅衬底GaN基LED，其特征在于，
所述UGaN层中Ⅴ/Ⅲ比大于200；和/或
所述NGaN电流扩展层为掺硅NGaN/不掺硅UGaN超晶格结构，其中，晶格结构整体平均掺硅浓度为5e18～2e19，且超晶格结构中掺硅NGaN的厚度为1～50nm，不掺硅UGaN的厚度为1～50nm。
3.如权利要求1所述的硅衬底GaN基LED，其特征在于，
所述有源区应力释放层中包括多层InGaN/GaN超晶格层及蓝光/绿光浅阱，其中，In浓度越靠近多量子阱发光层越高；和/或
所述多量子阱发光层中MQW个数为5～10，Ⅴ/Ⅲ比大于2000。
4.如权利要求1或2或3所述的硅衬底GaN基LED，其特征在于，
所述电子阻挡层为Mg掺杂的p-AlGaN bulk层或者p-AlGaN/GaN超晶格层；和/或，
所述P型GaN电流扩展层为Mg掺杂的GaN；和/或，
所述P型欧姆接触层为高Mg掺杂的GaN层或者InGaN层。
5.一种硅衬底GaN基LED制备方法，其特征在于，包括：
在硅衬底表面生长多层位错过滤缓冲层，所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和多层不同Al组分的AlxGa1-xN层，其中，0≤x≤1，或所述多层位错过滤缓冲层中包括一AlN层和AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中，0≤x≤1，0≤y≤1；
依次在所述多层位错过滤缓冲层表面生长UGaN层、NGaN电流扩展层、有源区应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型GaN电流扩展层及P型欧姆接触层，完成硅衬底GaN基LED的制备。
6.如权利要求5所述的硅衬底GaN基LED制备方法，其特征在于，所述UGaN层的生长温度为1050～1100℃，长速2～4.5μm/h，生长厚度为0.5-5μm，且Ⅴ/Ⅲ比大于200。
7.如权利要求5所述的硅衬底GaN基LED制备方法，其特征在于，所述NGaN电流扩展层的生长温度为1050～1100℃，，且所述NGaN电流扩展层为掺硅NGaN/不掺硅UGaN超晶格结构，超晶格总生长厚度为1.5-3μm，晶格结构整体平均掺硅浓度为5e18～2e19，且掺硅NGaN的厚度为1～50nm，不掺硅UGaN的厚度为1～50nm。
8.如权利要求5所述的硅衬底GaN基LED制备方法，其特征在于，
所述有源区应力释放层中包括多层InGaN/GaN超晶格及蓝光/绿光浅阱，其中，In浓度越靠近多量子阱发光层越高；和/或
所述多量子阱发光层中MQW个数为5～10，Ⅴ/Ⅲ比大于2000，且生长速度为1～3nm/min。
9.如权利要求5或6或7或8所述的硅衬底GaN基LED制备方法，其特征在于，
所述电子阻挡层为Mg掺杂的p-AlGaN bulk层或者p-AlGaN/GaN超晶格层层；和/或，
所述P型GaN电流扩展层为Mg掺杂的GaN；和/或，
所述P型欧姆接触层为高Mg掺杂的GaN层或者InGaN层。
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