CN115810697B - 硅基紫外led外延结构及其制备方法、紫外led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基紫外LED外延结构及其制备方法、紫外LED，涉及半导体光电器件领域。其中，硅基紫外LED外延结构包括硅衬底和依次生长于所述硅衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的SiO2层、SiN层、石墨烯层和AlN层。实施本发明，可提升紫外LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种硅基紫外LED外延结构及其制备方法、紫外LED。
背景技术
近些年，AlGaN基的紫外发光二极管(UV-LED)凭借其在众多领域内的应用价值，吸引了大量学者的研究。目前AlGaN基的紫外发光二极管AlN材料中的缺陷密度较高，能达到1010-1011cm-2的位错密度，高于GaN中的位错密度（108cm-2），这样高的位错密度会将这一区域变成非辐射复合中心，降低有源区内的辐射复合效率从而影响氮化物半导体器件的光电性能。
另一方面，现有技术中硅衬底材料有：蓝宝石、碳化硅、氮化硅、硅和氧化镓。其中，硅衬底材料的制备方法成熟，成本低，在微电子领域大规模应用。将硅衬底应用于LED，有利于LED器件的小型化、集成化。但硅衬底与LED半导体材料之间存在很大的晶格失配和热失配，外延生长过程中外延薄膜会受到巨大的热应力而导致外延层产生大量缺陷甚至发生龟裂。此外，硅衬底会与常规缓冲层的反应气体（NH3）发生反应，导致Si沿外延层生长方向延伸，降低外延层的晶体质量。因此在硅衬底上生长高质量外延层的难度较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种硅基紫外LED外延结构及其制备方法，其可有效缓解硅衬底与AlGaN外延材料的晶格失配、热失配，提升AlGaN外延材料的晶体质量，进而提升发光效率。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种紫外LED，其发光效率高。
为了解决上述问题，本发明公开了一种硅基紫外LED外延结构，包括硅衬底和依次生长于所述硅衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的SiO2层、SiN层、石墨烯层和AlN层。
作为上述技术方案的改进，所述SiO2层的厚度为1nm-10nm，所述SiN层的厚度为2nm-20nm，所述石墨烯层的厚度为0.5nm-5nm，所述AlN层的厚度为0.5-5nm。
作为上述技术方案的改进，所述石墨烯层为氮化石墨烯层，其氮化温度为1050℃-1200℃。
作为上述技术方案的改进，所述缓冲层还包括生长于所述AlN层上的AlxGa1-xN层，其中，x为0.1-1；
所述AlxGa1-xN层的厚度为10nm-100nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlxGa1-xN层中Al组分沿外延结构的生长方向逐渐递减。
相应的，本发明还公开了一种硅基紫外LED外延结构的制备方法，用于制备上述的硅基紫外LED外延结构，其包括：
提供硅衬底；在所述硅衬底上依次生长缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
其中，所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的SiO2层、SiN层、石墨烯层和AlN层。
作为上述技术方案的改进，所述SiO2层、SiN层和石墨烯层通过CVD生长，生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50torr-300torr；
所述AlN层通过MOCVD生长，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-500torr。
作为上述技术方案的改进，所述石墨烯层生长完成后，将所得硅衬底加载至MOCVD中，采用NH3进行氮化处理，氮化处理温度为1050℃-1200℃。
作为上述技术方案的改进，所述缓冲层还包括生长于所述AlN层上的AlxGa1-xN层，其中，x为0.1-1；
所述AlxGa1-xN层通过MOCVD生长，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-200torr。
相应的，本发明还公开了一种紫外LED，其包括上述的硅基紫外LED外延结构。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的硅基紫外LED外延结构，在外延结构与硅衬底之间生长了缓冲层，具体的，该缓冲层结构包括：SiO2层、SiN层、石墨烯层和AlN层。具体的，硅衬底的晶格常数为5.43Å，SiO2层的晶格常数为4.801Å，SiN层的晶格常数为3.07Å，石墨烯层的晶格常数为2.476Å，AlN层的晶格常数为3.110Å。基于上述结构，一者形成了晶格常数依次递减的缓冲层结构，减少了晶格失配，提高了后续在缓冲层上生长的AlGaN外延材料的晶体质量。二者，提供了与硅衬底取向相同的成核中心，一定程度上也释放了热膨胀系数失配所产生的热应力。三者，有效阻挡了Si与NH3发生反应，提升了外延层的晶体质量。
2、本发明的硅基紫外LED外延结构，在石墨烯层生长完成后，对衬底进行了氮化处理，其中，氮化处理温度为1050℃-1200℃。高温氮化处理主要有以下几个方面的作用：一是通过高温处理形成氮化石墨烯，大幅降低其热膨胀系数，有效降低热失配；二是，在高温热处理的过程中SiO2层、SiN层会对硅衬底形成拉应力，进而形成微上翘曲的结构。在后续生长过程中，这种微上翘曲结构会降低对AlGaN外延材料的张应力，使得硅衬底与MOCVD反应室中石墨载片接触更加充分，进而使得温度分布更加均匀，进而提升了发光效率和波长均匀性。这种效应在大尺寸的外延结构上表现更为明显。三是通过高温氮化，石墨烯与氮原子通过范德华作用力形成氮化石墨烯。这种成键的键能远远低于共价键成键的键能，使得后期硅衬底更易剥离，降低其对光的吸收，提升发光效率。
3、本发明的硅基紫外LED外延结构，缓冲层还包括生长于AlN层上的AlxGa1-xN层，该层不仅可进一步降低硅衬底与外延结构之间的晶格失配、热失配，提升了外延结构的晶体质量。此外，AlxGa1-xN层也可为后续非掺杂AlGaN层提供平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生长的AlGaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长。
附图说明
图1是本发明一实施例中硅基紫外LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明一实施例中缓冲层的结构示意图；
图3是本发明另一实施例中缓冲层的结构示意图；
图4是本发明一实施例中硅基紫外LED外延结构的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
参考图1和图2，本发明公开了一种硅基紫外LED外延结构，包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。其中，缓冲层包括依次生长于硅衬底1上的SiO2层21、SiN层22、石墨烯层23和AlN层24。基于这种结构，减少了晶格失配、热失配，提高了后续在缓冲层上生长的AlGaN外延材料的晶体质量，提升了发光效率。另外，有效阻挡了硅衬底1与NH3发生反应，提升了外延层的晶体质量。
其中，SiO2层21的厚度为0.5nm-12nm，当其厚度＜0.5nm时，难以有效阻挡NH3与硅衬底1的反应，对提升外延结构晶体质量的作用较差；当其厚度＞12nm时，难以有效缓解晶格失配，对提升外延结构晶体质量的作用较差。优选的，SiO2层21的厚度为1nm-10nm，示例性的为1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm，但不限于此。
其中，SiN层22的厚度为1nm-25nm，当其厚度＜1nm时，难以有效缓解晶格失配，对提升外延结构晶体质量的作用较差；当其厚度＞25nm时，也难以有效缓解晶格失配，对提升外延结构晶体质量的作用较差。优选的，SiN层22的厚度为2-20nm，示例性的为3nm、5nm、7nm、11nm、13nm、15nm或18nm，但不限于此。
其中，石墨烯层23的厚度为0.1nm-8nm，当石墨烯层23的厚度＜0.1nm时，难以有效缓解晶格失配，对提升外延结构晶体质量的作用较差；当其厚度＞8nm时，由于其导热系数和热膨胀系数较大，虽然能降低晶格失配，但会提高热失配。优选的，石墨烯层23的厚度为0.5nm-5nm，示例性的为0.8nm、1.3nm、2.1nm、2.8nm、3.4nm、3.9nm、4.5nm或4.8nm，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，在生长石墨烯层后，将外延结构进行氮化处理，以将石墨烯层23氮化为氮化石墨烯层，具体的，氮化处理的温度为1050℃-1200℃。通过这种处理，一者可降低热失配；二者形成微上翘结构，优化后续生长的均匀性，提升波长均匀性；三者利于后期硅衬底的剥离。
其中，AlN层24的厚度为0.5nm-5nm，示例性的为0.8nm、1.2nm、1.6nm、2.3nm、3nm、3.4nm、3.6nm、4nm、4.5nm或4.9nm，但不限于此。
优选的，参考图3，在本发明的一个实施例之中，缓冲层2还包括生长在AlN层24上的AlxGa1-xN层25（x为0.1-1）。AlxGa1-xN层25可进一步降低硅衬底与外延结构之间的晶格失配、热失配，也可提升非掺杂AlGaN层3的晶体质量。具体的，AlxGa1-xN层25的厚度为10nm-100nm，示例性的为15nm、23nm、38nm、44nm、56nm、70nm或80nm，但不限于此。
其中，本发明中的硅衬底为单晶硅衬底，其可为平底结构，也可为图形化结构。优选的为图形化单晶硅衬底。硅衬底的尺寸可为1英寸-12英寸，但不限于此。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为1μm-5μm，示例性的为1.4μm、1.8μm、2.2μm、2.6μm、3μm、3.5μm、4μm、4.2μm或4.6μm，但不限于此。优选的，非掺杂AlGaN层3的厚度为1-2μm，本发明的缓冲层2可降低非掺杂AlGaN层3的厚度，降低成本。
其中，N型AlGaN层4可提供电子，进而与空穴在多量子阱层5中复合发光。具体的，N型AlGaN层4中的掺杂元素为Si，但不限于此。N型AlGaN层4中Si的掺杂浓度为1×1019cm-3-5×1020cm-3，示例性的为3.5×1019cm-3、7×1019cm-3、1.3×1020cm-3、2.5×1020cm-3、3.5×1020cm-3或4.6×1020cm-3，但不限于此。具体的，N型AlGaN层4的厚度为1μm-5μm，示例性的为1.4μm、1.8μm、2.2μm、2.6μm、3μm、3.5μm、4μm、4.2μm或4.6μm，但不限于此。
其中，多量子阱层5为交替堆叠的AlaGa1-aN量子阱层和AlbGa1-bN量子垒层，堆叠周期数6-12个。单个AlaGa1-aN量子阱层的厚度为2nm-5nm，a为0.2-0.6。单个AlbGa1-bN量子垒层的厚度为5nm-15nm，b为0.4-0.8。
其中，电子阻挡层6可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，提高紫外LED的发光效率。具体的，电子阻挡层6为AlyGa1-yN层，但不限于此。具体的，电子阻挡层6的厚度为10nm-50nm，AlyGa1-yN层中y为0.4-0.8。
其中，P型AlGaN层7的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型AlGaN层7中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3-5×1020cm-3，P型AlGaN层7的厚度为100nm-200nm。
其中，P型接触层8为高掺杂浓度的AlGaN层。具体的，P型接触层8中Mg的掺杂浓度为5×1019cm-3-5×1020cm-3，P型接触层8的厚度为10nm-50nm。
相应的，参考图4，本发明还公开了一种硅基紫外LED外延结构的制备方法，其用于制备上述的硅基紫外LED外延结构，其包括以下步骤：
S1：提供硅衬底；
S2：在硅衬底上依次生长缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
具体的，S2包括：
S21：在硅衬底上生长缓冲层；
具体的，S21包括：
S211：在硅衬底上生长SiO2层；
其中，可通过MBE、MOCVD、CVD生长SiO2层，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，采用CVD生长SiO2层，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-300torr。通过上述方法，一定程度上降低了SiO2层的生长温度，降低了热失配。具体的，采用CVD生长时，所采用的反应气体为SiH4和O2。
S212：在SiO2层上生长SiN层；
其中，可通过MBE、MOCVD、CVD生长SiN层，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，采用CVD生长SiN层，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-300torr。通过上述方法，一定程度上降低了SiN层的生长温度，降低了热失配。具体的，采用CVD生长时，所采用的反应气体为SiH4和NH3。
S213：在SiN层上生长石墨烯层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，采用CVD生长石墨烯层，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-300torr。采用CVD生长时，所采用的反应气体为CH4。
优选的，在本发明的一个实施例之中，包括对石墨烯层进行氮化处理的步骤，具体如下：
S214：将步骤S213得到的硅衬底进行氮化处理；
具体的，在本发明的一个实施例之中，将步骤S213得到的硅衬底加载到MOCVD反应腔中，通入NH3进行氮化处理，氮化处理的温度为1050℃-1200℃。
S215：在石墨烯层上生长AlN层；
其中，可通过PVD、MOCVD生长AlN层，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlN层，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-500torr。需要说明的是，常规的AlN层采用MOCVD生长时，容易开裂，往往需要较高的生长温度（＞1200℃），而温度较高时，积累热应力较多，不利于提升晶体质量。而本发明通过前序SiO2层、SiN层、石墨烯层的联合调控，使得本发明可采用较低温度生长AlN层。
优选的，在本发明的一个实施例之中，生长缓冲层的步骤还包括：
S216：在AlN层上生长AlxGa1-xN层；
其中，可通过PVD、MOCVD生长AlxGa1-xN层，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlxGa1-xN层，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-200torr。
S22：在缓冲层上生长非掺杂AlGaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1000℃-1300℃，生长压力50torr-500torr。
S23：在非掺杂AlGaN层上生长N型AlGaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1000℃-1300℃，生长压力50torr-200torr。
S24：在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
其中，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD周期性生长多个AlaGa1-aN量子阱层和AlbGa1-bN量子垒层，即得到多量子阱层。其中，AlaGa1-aN量子阱层的生长温度为850℃-950℃，生长压力为50torr-300torr。AlbGa1-bN量子垒层的生长温度为1050℃-1150℃，生长压力50torr-300torr。
S25：在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力100torr-300torr。
S26：在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力100torr-600torr。
S27：在P型AlGaN层上生长P型接触层；
其中，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力100torr-600torr。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例提供一种硅基紫外LED外延结构，参考图1、图2，其包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的SiO2层21、SiN层22、石墨烯层23和AlN层24。SiO2层21的厚度为5nm，SiN层22的厚度为10nm，石墨烯层23的厚度为1.5nm，AlN层24的厚度为30nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为3.5μm，N型AlGaN层4的厚度为3μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlaGa1-aN量子阱层（a=0.45）和AlbGa1-bN量子垒层（b=0.55），堆叠周期数10个。单个AlaGa1-aN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlbGa1-bN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlyGa1-yN层（y=0.65），厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为175nm，Mg掺杂浓度为6×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为50nm。
本实施例中硅基紫外LED外延结构的制备方法包括以下步骤：
（1）提供硅衬底；
（2）在硅衬底上生长SiO2层；
具体的，采用CVD生长SiO2层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（3）在SiO2层上生长SiN层；
具体的，采用CVD生长SiN层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（4）在SiN层上生长石墨烯层；
具体的，采用CVD生长石墨烯层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（5）在石墨烯层上生长AlN层；
具体的，采用MOCVD生长AlN层，生长温度为820℃，生长压力为100torr。
（6）在石墨烯层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（7）在非掺杂AlGaN层上生长N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（8）在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlaGa1-aN量子阱层和AlbGa1-bN量子垒层。其中，AlaGa1-aN量子阱层的生长温度为800℃，生长压力为200torr。AlbGa1-bN量子垒层的生长温度为1120℃，生长压力200torr。
（9）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1080℃，生长压力200torr。
（10）在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
（11）在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1050℃，生长压力250torr。
实施例2
本实施例提供一种硅基紫外LED外延结构，参考图1、图2，其包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的SiO2层21、SiN层22、石墨烯层23和AlN层24。SiO2层21的厚度为5nm，SiN层22的厚度为10nm，石墨烯层23的厚度为1.5nm，AlN层24的厚度为30nm。其中，石墨烯层23经过氮化处理，氮化处理温度为1100℃。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为3.5μm，N型AlGaN层4的厚度为3μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlaGa1-aN量子阱层（a=0.45）和AlbGa1-bN量子垒层（b=0.55），堆叠周期数10个。单个AlaGa1-aN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlbGa1-bN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlyGa1-yN层（y=0.65），厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为175nm，Mg掺杂浓度为6×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为50nm。
本实施例中硅基紫外LED外延结构的制备方法包括以下步骤：
（1）提供硅衬底；
（2）在硅衬底上生长SiO2层；
具体的，采用CVD生长SiO2层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（3）在SiO2层上生长SiN层；
具体的，采用CVD生长SiN层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（4）在SiN层上生长石墨烯层；
具体的，采用CVD生长石墨烯层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（5）将步骤（4）得到的硅衬底进行氮化处理；
具体的，将（4）得到的硅衬底加载到MOCVD反应腔中，通入NH3进行氮化处理，氮化处理的温度为1100℃。
（6）在氮化处理后的石墨烯层上生长AlN层；
具体的，采用MOCVD生长AlN层，生长温度为820℃，生长压力为100torr。
（7）在石墨烯层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（8）在非掺杂AlGaN层上生长N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（9）在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlaGa1-aN量子阱层和AlbGa1-bN量子垒层。其中，AlaGa1-aN量子阱层的生长温度为800℃，生长压力为200torr。AlbGa1-bN量子垒层的生长温度为1120℃，生长压力200torr。
（10）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1080℃，生长压力200torr。
（11）在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
（12）在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1050℃，生长压力250torr。
实施例3
本实施例提供一种硅基紫外LED外延结构，参考图1、图3，其包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的SiO2层21、SiN层22、石墨烯层23、AlN层24和AlxGa1-xN层25。SiO2层21的厚度为5nm，SiN层22的厚度为10nm，石墨烯层23的厚度为1.5nm，AlN层24的厚度为30nm。其中，石墨烯层23经过氮化处理，氮化处理温度为1100℃。AlxGa1-xN层25中Al组分维持恒定，其厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2μm，N型AlGaN层4的厚度为3μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlaGa1-aN量子阱层（a=0.45）和AlbGa1-bN量子垒层（b=0.55），堆叠周期数10个。单个AlaGa1-aN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlbGa1-bN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlyGa1-yN层（y=0.65），厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为175nm，Mg掺杂浓度为6×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为50nm。
本实施例中硅基紫外LED外延结构的制备方法包括以下步骤：
（1）提供硅衬底；
（2）在硅衬底上生长SiO2层；
具体的，采用CVD生长SiO2层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（3）在SiO2层上生长SiN层；
具体的，采用CVD生长SiN层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（4）在SiN层上生长石墨烯层；
具体的，采用CVD生长石墨烯层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（5）将步骤（4）得到的硅衬底进行氮化处理；
具体的，将（4）得到的硅衬底加载到MOCVD反应腔中，通入NH3进行氮化处理，氮化处理的温度为1100℃。
（6）在氮化处理后的石墨烯层上生长AlN层；
具体的，采用MOCVD生长AlN层，生长温度为820℃，生长压力为100torr。
（7）在AlN层上生长AlxGa1-xN层；
具体的，采用MOCVD生长AlxGa1-xN层，生长温度为820℃，生长压力为100torr。
（8）在石墨烯层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（9）在非掺杂AlGaN层上生长N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（10）在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlaGa1-aN量子阱层和AlbGa1-bN量子垒层。其中，AlaGa1-aN量子阱层的生长温度为800℃，生长压力为200torr。AlbGa1-bN量子垒层的生长温度为1120℃，生长压力200torr。
（11）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1080℃，生长压力200torr。
（12）在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
（13）在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1050℃，生长压力250torr。
实施例4
本实施例提供一种硅基紫外LED外延结构，参考图1、图3，其包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的SiO2层21、SiN层22、石墨烯层23、AlN层24和AlxGa1-xN层25。SiO2层21的厚度为5nm，SiN层22的厚度为10nm，石墨烯层23的厚度为1.5nm，AlN层24的厚度为30nm。其中，石墨烯层23经过氮化处理，氮化处理温度为1100℃。AlxGa1-xN层25中Al组分沿外延结构的生长方向逐渐降低，其厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为1.5μm，N型AlGaN层4的厚度为3μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlaGa1-aN量子阱层（a=0.45）和AlbGa1-bN量子垒层（b=0.55），堆叠周期数10个。单个AlaGa1-aN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlbGa1-bN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlyGa1-yN层（y=0.65），厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为175nm，Mg掺杂浓度为6×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为50nm。
本实施例中硅基紫外LED外延结构的制备方法包括以下步骤：
（1）提供硅衬底；
（2）在硅衬底上生长SiO2层；
具体的，采用CVD生长SiO2层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（3）在SiO2层上生长SiN层；
具体的，采用CVD生长SiN层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（4）在SiN层上生长石墨烯层；
具体的，采用CVD生长石墨烯层，生长温度为900℃，生长压力为100torr。
（5）将步骤（4）得到的硅衬底进行氮化处理；
具体的，将（4）得到的硅衬底加载到MOCVD反应腔中，通入NH3进行氮化处理，氮化处理的温度为1100℃。
（6）在氮化处理后的石墨烯层上生长AlN层；
具体的，采用MOCVD生长AlN层，生长温度为820℃，生长压力为100torr。
（7）在AlN层上生长AlxGa1-xN层；
具体的，采用MOCVD生长AlxGa1-xN层，生长温度为820℃，生长压力为100torr。
（8）在石墨烯层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（9）在非掺杂AlGaN层上生长N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
（10）在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlaGa1-aN量子阱层和AlbGa1-bN量子垒层。其中，AlaGa1-aN量子阱层的生长温度为800℃，生长压力为200torr。AlbGa1-bN量子垒层的生长温度为1120℃，生长压力200torr。
（11）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1080℃，生长压力200torr。
（12）在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
（13）在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1050℃，生长压力250torr。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，缓冲层仅为PVD溅射的厚度为46.5nm的AlN层。其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，缓冲层中不设置SiO2层，相应的，也不SiO2层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于，缓冲层中不设置石墨烯层，相应的，也不设置石墨烯层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
将实施例1-4，对比例1-3所得的硅基紫外LED外延结构进行测试，具体如下：
（1）分别选用2英寸、4英寸的单晶硅硅片作为硅衬底，按照各实施例、对比例的结构、制备方法制备外延结构500片，统计其成品率；
（2）在测定成品率的外延结构样品中选取100片（无缺陷），制备成本领域常见的垂直结构的LED芯片（包括将硅衬底剥离，转移到蓝宝石衬底的步骤），统计转移良率；
（3）在测定转移良率的LED芯片中选取10个结构完整，无明显缺陷LED芯片，测定其亮度；并以对比例1的外延结构为基准，计算亮度提升率。
（4）将测定亮度的样品进行电致荧光测试，测试电流分别为1mA和5mA，得到不同测试电流下的波长，波长偏移按照下式计算：
波长偏移=测试波长1（1mA）-测试波长2（5mA）。
具体结果如下：
以上所述是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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种硅基紫外LED外延结构，包括硅衬底和依次生长于所述硅衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；其特征在于，所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的SiO2层、SiN层、石墨烯层和AlN层；
所述石墨烯层生长完成后，将所得硅衬底加载至MOCVD中，采用NH3进行氮化处理，氮化处理温度为1050℃-1200℃。
2.如权利要求1所述的硅基紫外LED外延结构，其特征在于，所述SiO2层的厚度为1nm-10nm，所述SiN层的厚度为2nm-20nm，所述石墨烯层的厚度为0.5nm-5nm，所述AlN层的厚度为0.5nm-5nm。
3.如权利要求1所述的硅基紫外LED外延结构，其特征在于，所述缓冲层还包括生长于所述AlN层上的AlxGa1-xN层，其中，x为0.1-1；
所述AlxGa1-xN层的厚度为10nm-100nm。
4.如权利要求3所述的硅基紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa1-xN层中Al组分沿外延结构的生长方向逐渐递减。
5.一种硅基紫外LED外延结构的制备方法，用于制备如权利要求1-4任一项所述的硅基紫外LED外延结构，其特征在于，包括：
提供硅衬底；在所述硅衬底上依次生长缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
其中，所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的SiO2层、SiN层、石墨烯层和AlN层；
所述石墨烯层生长完成后，将所得硅衬底加载至MOCVD中，采用NH3进行氮化处理，氮化处理温度为1050℃-1200℃。
6.如权利要求5所述的硅基紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述SiO2层、SiN层和石墨烯层通过CVD生长，生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50torr-300torr；
所述AlN层通过MOCVD生长，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-500torr。
7.如权利要求5所述的硅基紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述缓冲层还包括生长于所述AlN层上的AlxGa1-xN层，其中，x为0.1-1；
所述AlxGa1-xN层通过MOCVD生长，生长温度为700℃-1000℃，生长压力为50torr-200torr。
8.一种紫外LED，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的硅基紫外LED外延结构。
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