CN115832135B - 硅基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管，涉及半导体光电器件领域。硅基发光二极管外延片包括硅衬底和依次生长于所述硅衬底上的缓冲层、U‑GaN层、N‑GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P‑GaN层；其中，所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的第一AlN层和WS₂层。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率和抗静电能力。

Description

硅基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种硅基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。

背景技术

现阶段国际上商品化的发光二极管外延片大多是在蓝宝石衬底上制造的。但蓝宝石材料由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势，因此Si衬底GaN基发光二极管制造技术受到业界的普遍关注。

但是，现有的Si衬底由于与GaN材料存在严重的晶格失配，外延生长晶格质量差，所以导致载流子非辐射复合强从而发光二极管出光效率低、外延片表面容易出现裂纹，并且抗静电能力差等问题，无法满足市场需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种硅基发光二极管外延片及其制备方法，其可有效提升硅基发光二极管的发光效率、抗静电能力。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管，其发光效率高，抗静电能力强。

为了解决上述问题，本发明公开了一种硅基发光二极管外延片，其包括硅衬底和依次生长于所述硅衬底上的缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层；其中，所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的第一AlN层和WS₂层。

作为上述技术方案的改进，所述第一AlN层的厚度为5-20nm，所述WS₂层的厚度为5-20nm。

作为上述技术方案的改进，所述缓冲层还包括依次生长于所述WS₂层上的Al层和第二AlN层。

作为上述技术方案的改进，所述Al层的厚度为1-5nm，所述第二AlN层的厚度为20-70nm。

作为上述技术方案的改进，所述WS₂层进行氮化处理，氮化温度为800-1000℃。

相应的，本发明还公开了一种硅基发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的硅基发光二极管外延片，其包括：

提供硅衬底，在所述硅衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层；其中，所述缓冲层依次生长于所述硅衬底上的第一AlN层和WS₂层。

作为上述技术方案的改进，所述第一AlN层通过MOCVD生长，其生长温度为1000-1100℃，生长压力为50-150torr；

所述WS₂层通过CVD生长，其生长温度为700-1000℃；生长时，钨源和硫源的摩尔比为1:（1-3），以Ar和H₂的混合气体作为载气，且Ar与H₂的体积比为1：（1-5）。

作为上述技术方案的改进，所述缓冲层还包括依次生长于所述WS₂层上的Al层和第二AlN层；

所述Al层通过MOCVD生长，其生长温度为800-1000℃，生长压力为200-400torr；

所述第二AlN层通过MOCVD生长，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-150torr。

作为上述技术方案的改进，所述WS₂层生长完成后采用NH₃进行氮化处理，所述氮化处理在MOCVD中进行，氮化处理温度为800-1000℃，压力为200-400torr。

相应的，本发明还公开了一种发光二极管，其包括上述的硅基发光二极管外延片。

实施本发明，具有如下有益效果：

1. 本发明的硅基发光二极管外延片中，缓冲层依次包括第一AlN层和WS₂层。其中，第一AlN层可起到阻止硅衬底中Si扩散的作用，防止Si原子扩散至外延层中，破坏外延层的晶格结构。WS₂层中的S原子能同时形成范德华键和金属原子共价键，范德华键结合力弱，无需考虑晶格失配限制，使得WS₂层可以弥补Si衬底和GaN材料的晶格失配以及热膨胀不一致引起的残余应力，并且可以对后续生长的外延层起到充分的晶格取向引导，进而减少硅衬底与外延层之间的晶格失配，提升硅基发光二极管的发光效率。

2. 本发明的硅基发光二极管外延片中，缓冲层依次包括第一AlN层、WS₂层、Al层和第二AlN层；其中，Al层中的Al原子可在WS₂层上均匀地分布，从而使得后期第二AlN层形成分布均匀的三维AlN晶种，使得后续U-GaN层的三维岛的分布均匀，大小一致性强，进而减少了岛与岛合并时产生的位错缺陷，也降低了U-GaN层的厚度，提升了外延层的晶体质量，提升了发光效率和抗静电能力。

3. 本发明的硅基发光二极管外延片中，对WS₂层进行氮化处理，使其呈N极性，在后续Al层生长过程中，Al原子可与N原子更加紧密的键合，进一步促进了三维AlN晶种的均匀分布。

附图说明

图1是本发明一实施例中硅基发光二极管外延片的结构示意图；

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发光二极管外延片的制备方法流程图。

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发光二极管外延片，包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的第一AlN层21和WS₂层22，其中，第一AlN层21可起到阻止硅衬底1中Si扩散的作用，防止Si原子扩散至外延层中，破坏外延层的晶格质量。WS₂层22中的S原子能同时形成范德华键和金属原子的共价键，范德华键结合力弱，无需考虑晶格失配限制，使得WS₂层22可以弥补硅衬底1和GaN材料的晶格失配以及热膨胀不一致引起的残余应力，并且可以对后续生长的外延层起到充分的晶格取向引导，进而减少硅衬底与外延层之间的晶格失配，提升硅基发光二极管的发光效率。

其中，第一AlN层21的厚度为2-30nm，当其厚度＜2nm时，难以有效阻止Si的扩散；当其厚度＞30nm时，与硅衬底1之间的晶格失配过大。优选的，第一AlN层21的厚度为5-20nm，示例性的为7nm、9nm、11nm、13nm、15nm或17nm，但不限于此。

其中，WS₂层22的厚度为2-25nm，当其厚度＜2nm时，S原子的量少，难以有效起到引导晶格取向的作用。当其厚度＞25nm时，一者与第一AlN层21之间的结合力较差，二者，WS₂晶体会形成整体膜状结构，难以有效引导后期晶格取向。优选的，WS₂层22的厚度为5-20nm，示例性的为6nm、8nm、10nm、12nm、14nm、16nm或18nm，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还包括依次生长于WS₂层22上的Al层23和第二AlN层24。其中，Al层23可作为WS₂层22与第二AlN层24之间的过渡层，使得后续第二AlN层24形成多个三维晶种，为后续U-GaN层3的生长提供良好的条件，也降低U-GaN层3的厚度。具体的，传统的U-GaN层3的厚度为1-3μm，而基于本实施例的缓冲层2，U-GaN层3的厚度可减低至300-800nm。

具体的，Al层23的厚度为0.2-10nm，当其厚度＜0.2nm时，难以起到良好的过渡作用；当其厚度＞10nm时，会弱化WS₂层22引导晶格的作用。优选的，Al层23的厚度为1-5nm，示例性的为1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm或4nm，但不限于此。

具体的，第二AlN层24的厚度为20-70nm，示例性的为25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm或60nm，但不限于此。此外，第二AlN层24的生长温度低于第一AlN层21的生长温度，以形成形态良好、分布均匀的三维晶种。

优选的，在本发明的一个实施例之中，WS₂层22生长完成后，对其进行氮化处理。通过氮化处理，使WS₂层22呈N极性，在后续Al层23生长过程中，Al原子可与N原子更加紧密的键合，进一步促进了三维AlN晶种的均匀分布。

其中，U-GaN层3的厚度为300-1500nm，示例性的为340nm、380nm、420nm、440nm、500nm、650nm、800nm、920nm、1000nm或1200nm，但不限于此。优选的，当采用第一AlN层21、WS₂层22、Al层23和第二AlN层24共同作为缓冲层2时，U-GaN层3的厚度可降低至300-800nm。更优选的，当采用第一AlN层21、WS₂层22、Al层23和第二AlN层24共同作为缓冲层2，且对WS₂层进行氮化处理时，U-GaN层3的厚度可降低至300-600nm，需要说明的是，对WS₂层22进行氮化处理后，Al层23与WS₂层22的结合作用加强，也意味着可采用更大厚度的WS₂层22，更薄厚度的U-GaN层3。具体的，基于氮化处理后，可将WS₂层22的厚度提升至12-20nm，将U-GaN层3的厚度降低至300-600nm。其中，N-GaN层4的掺杂元素为Si，但不限于此。N-GaN层4的掺杂浓度为5×10¹⁸-5×10¹⁹atoms/cm³，其厚度为1-3μm，示例性的为1.2μm、1.6μm、1.8μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm或2.9μm，但不限于此。

其中，多量子阱层5为多个InGaN阱层和多个GaN垒层形成的周期性结构，其周期数为3-15个。具体的，单个InGaN阱层的厚度为2-5nm，单个GaN垒层的厚度为3-15nm。

其中，电子阻挡层6为Al_αGa_1-αN层和In_βGa_1-βN层交替生长的周期性结构，其周期数为3-15个。其中，α为0.05-0.2，β为0.1-0.5。具体的，单个Al_αGa_1-αN层的厚度为1-8nm，单个In_βGa_1-βN层的厚度为1-8nm，电子阻挡层6的总厚度为20-150nm。

其中，P-GaN层7中的掺杂元素为Mg，但不限于此。P-GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×10¹⁷-1×10²⁰atoms/cm³，P-GaN层7的厚度为200-300nm。示例性的为220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、270nm、280nm或290nm，但不限于此。

相应的，参考图4，本发明还公开了一种硅基发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的硅基发光二极管外延片；其具体包括：

S1：提供硅衬底；

优选的，在本发明的一个实施例之中，将硅衬底在1000-1200℃，200-600torr，H₂气氛下退火5-8min，以对硅衬底表面的颗粒物和氧化物进行清洁。

S2：在硅衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层；

具体的，S2包括：

S21：在硅衬底上生长缓冲层；

其中，S21包括：

S211：在硅衬底上生长第一AlN层；

其中，可通过PVD或MOCVD生长第一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生长第一AlN层，其生长温度为1000-1100℃，生长压力为50-150torr，在此条件下生长的第一AlN层致密度更高，可更好地阻挡Si原子的扩散。生长时，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

S212：在第一AlN层上生长WS₂层；

其中，可通过CVD或PVT生长WS₂层，但不限于此。

优选的，在本发明的一个实施例之中，通过CVD生长WS₂层，其生长温度为700-1000℃，生长时，钨源和硫源的摩尔比为1:（1-3），以Ar和H₂的混合气体作为载气，且Ar与H₂的体积比为1：（1-5）。基于这种条件生长得到的WS₂层中WS₂晶体为单晶结构，且取向一致，具有良好的热稳定性和化学稳定性。具体的，硫源可选用硫代硫酸钠，但不限于此。钨源可选用二硫化钨，但不限于此。

优选的，在本发明的一个实施例之中，步骤S21包括以下步骤S213。

S213：将生长WS₂层后的衬底进行氮化处理；

具体的，氮化处理可在MOCVD中进行，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，通入N₂和H₂作为载气，进行氮化处理。氮化处理温度为800-1000℃，压力为200-400torr，氮化处理时间为10-60s。若氮化时间过长或氮化处理温度过高，会破坏WS₂层；若氮化时间过短或处理温度过低，则氮化不完全，Al层分布均匀性较低，且结合力弱。

优选的，在本发明的一个实施例之中，S21还包括以下步骤：

S214：在氮化后的WS₂层上生长Al层；

具体的，Al层可通过MBE、CVD、PVD或MOCVD生长，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Al层。具体的，其生长温度为800-1000℃，生长压力为200-400torr。生长时，在MOCVD中通入N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

S215：在Al层上生长第二AlN层；

其中，可通过PVD或MOCVD生长第二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生长第二AlN层，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-150torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，N₂和H₂做载气，通入TMAl做Al源。

S22：在缓冲层上生长U-GaN层；

具体的，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长U-GaN层，其生长温度为1100-1150℃，生长压力为100-500torr。在生长过程中，以N₂作为载气，或以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，NH₃作为N源。

S23：在U-GaN层上生长N-GaN层；

具体的，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中生长N-GaN层，其中，生长温度为1100-1150℃，生长压力为100-500torr。在生长过程中，以N₂作为载气，或以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源，SiH₄作为Si源。

S24：在N-GaN层上生长多量子阱层；

其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中生长多量子阱层。具体的，在N-GaN层上交替生长InGaN阱层和GaN垒层，重复3-15个周期，即得到多量子阱层。其中，InGaN阱层的生长温度为700-800℃，GaN垒层的生长温度为800-900℃。具体的，在生长过程中，以N₂作为载气，或以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH₃作为N源。

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中，在MOCVD中生长电子阻挡层。具体的，在多量子阱层上交替生长Al_αGa_1-αN层和In_βGa_1-βN层，重复3-15个周期，即得到电子阻挡层。其中，两者的生长温度相同，均为900-1000℃。生长过程中，以N₂作为载气，或以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，以TMIn作为In源，以TMAl作为Al源，NH₃作为N源。

S26：在电子阻挡层上生长P-GaN层；

其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中生长P-GaN层，其生长温度为800-1000℃。生长过程中，以N₂作为载气，或以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，NH₃作为N源，CP₂Mg作为Mg源。

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发光二极管外延片，参考图1和图2，其包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的第一AlN层21和WS₂层22。第一AlN层21的厚度为10nm，WS₂层22的厚度为10nm。

其中，U-GaN层3的厚度为1000nm。N-GaN层4中Si的掺杂浓度为9×10¹⁸atoms/cm³，其厚度为2μm。

其中，多量子阱层5为InGaN阱层和GaN垒层形成的周期数为10的周期性结构。单个InGaN阱层的厚度为3nm，单个GaN垒层的厚度为10nm。

其中，电子阻挡层6为Al_αGa_1-αN层（α=0.05）和In_βGa_1-βN层（β=0.4）交替生长的周期性结构，其周期数为8个。单个Al_αGa_1-αN层的厚度为6nm，单个In_βGa_1-βN层的厚度为6nm。

其中，P-GaN层7中Mg的掺杂浓度为9×10¹⁸atoms/cm³，厚度为255nm。

本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：

（1）提供硅衬底，将硅衬底加载到MOCVD反应室中，在1150℃，400torr，H₂气氛下退火6min。

（2）在硅衬底上生长第一AlN层；

具体的，通过MOCVD生长第一AlN层，其生长温度为1050℃，生长压力为100torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

（3）在第一AlN层上生长WS₂层；

具体的，通过CVD生长WS₂层，其生长温度为750℃，生长时，钨源和硫源的摩尔比为1:2.2，以Ar和H₂的混合气体（体积比1:3）作为载气。其中，钨源为二硫化钨，硫源为硫代硫酸钠。

（4）在WS₂层上生长U-GaN层；

具体的，在MOCVD中生长U-GaN层。生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长过程中，以N₂作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源。

（5）在U-GaN层上生长N-GaN层；

具体的，在MOCVD中生长N-GaN层，生长温度为1140℃，生长压力为300torr，以N₂和H₂作为载气，TMGa作为Ga源，NH₃作为N源，SiH₄作为Si源。

（6）在N-GaN层上生长多量子阱层；

具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN阱层和GaN垒层，作为多量子阱层。其中，InGaN阱层的生长温度为780℃，以N₂作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH₃作为N源。GaN垒层的生长温度为860℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源。

（7）在多量子阱层上生长电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性生长Al_αGa_1-αN层和In_βGa_1-βN层，作为电子阻挡层。其中，Al_αGa_1-αN层的生长温度为940℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMAl作为Al源，NH₃作为N源。In_βGa_1-βN层的生长温度为940℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH₃作为N源。

（8）在电子阻挡层上生长P-GaN层；

具体的，生长温度为960℃，以N₂和H₂作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源，CP₂Mg作为Mg源。

实施例2

本实施例提供一种硅基发光二极管外延片，参考图1和图2，其包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的第一AlN层21、WS₂层22、Al层23和第二AlN层24。第一AlN层21的厚度为10nm，WS₂层22的厚度为10nm，Al层23的厚度为3nm，第二AlN层24的厚度为10nm。

其中，U-GaN层3的厚度为750nm。N-GaN层4中Si的掺杂浓度为9×10¹⁸atoms/cm³，其厚度为2μm。

其中，多量子阱层5为InGaN阱层和GaN垒层形成的周期数为10的周期性结构。单个InGaN阱层的厚度为3nm，单个GaN垒层的厚度为10nm。

其中，电子阻挡层6为Al_αGa_1-αN层（α=0.05）和In_βGa_1-βN层（β=0.4）交替生长的周期性结构，其周期数为8个。单个Al_αGa_1-αN层的厚度为6nm，单个In_βGa_1-βN层的厚度为6nm。

其中，P-GaN层7中Mg的掺杂浓度为9×10¹⁸atoms/cm³，厚度为255nm。

本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：

（1）提供硅衬底，将硅衬底加载到MOCVD反应室中，在1150℃，400torr，H₂气氛下退火6min。

（2）在硅衬底上生长第一AlN层；

具体的，通过MOCVD生长第一AlN层，其生长温度为1050℃，生长压力为100torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

（3）在第一AlN层上生长WS₂层；

具体的，通过CVD生长WS₂层，其生长温度为750℃，生长时，钨源和硫源的摩尔比为1:2.2，以Ar和H₂的混合气体（体积比1:3）作为载气。其中，钨源为二硫化钨，硫源为硫代硫酸钠。

（4）在WS₂层上生长Al层；

具体的，通过MOCVD生长Al层。具体的，其生长温度为880℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD中通入N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

（5）在Al层上生长第二AlN层；

具体的，通过MOCVD生长第二AlN层，其生长温度为650℃，生长压力为100torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

（6）在第二AlN层上生长U-GaN层；

具体的，在MOCVD中生长U-GaN层。生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长过程中，以N₂作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源。

（7）在U-GaN层上生长N-GaN层；

具体的，在MOCVD中生长N-GaN层，生长温度为1140℃，生长压力为300torr，以N₂和H₂作为载气，TMGa作为Ga源，NH₃作为N源，SiH₄作为Si源。

（8）在N-GaN层上生长多量子阱层；

具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN阱层和GaN垒层，作为多量子阱层。其中，InGaN阱层的生长温度为780℃，以N₂作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH₃作为N源。GaN垒层的生长温度为860℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源。

（9）在多量子阱层上生长电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性生长Al_αGa_1-αN层和In_βGa_1-βN层，作为电子阻挡层。其中，Al_αGa_1-αN层的生长温度为940℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMAl作为Al源，NH₃作为N源。In_βGa_1-βN层的生长温度为940℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH₃作为N源。

（10）在电子阻挡层上生长P-GaN层；

具体的，生长温度为960℃，以N₂和H₂作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源，CP₂Mg作为Mg源。

实施例3

本实施例提供一种硅基发光二极管外延片，参考图1和图2，其包括硅衬底1和依次生长于硅衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。其中，缓冲层2包括依次生长于硅衬底1上的第一AlN层21、WS₂层22、Al层23和第二AlN层24。第一AlN层21的厚度为10nm，WS₂层22的厚度为10nm，Al层23的厚度为3nm，第二AlN层24的厚度为10nm。其中，WS₂层22在生长结束后通过NH₃进行氮化处理。

其中，U-GaN层3的厚度为400nm。N-GaN层4中Si的掺杂浓度为9×10¹⁸atoms/cm³，其厚度为2μm。

其中，多量子阱层5为InGaN阱层和GaN垒层形成的周期数为10的周期性结构。单个InGaN阱层的厚度为3nm，单个GaN垒层的厚度为10nm。

其中，电子阻挡层6为Al_αGa_1-αN层（α=0.05）和In_βGa_1-βN层（β=0.4）交替生长的周期性结构，其周期数为8个。单个Al_αGa_1-αN层的厚度为6nm，单个In_βGa_1-βN层的厚度为6nm。

其中，P-GaN层7中Mg的掺杂浓度为9×10¹⁸atoms/cm³，厚度为255nm。

本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：

（1）提供硅衬底，将硅衬底加载到MOCVD反应室中，在1150℃，400torr，H₂气氛下退火6min。

（2）在硅衬底上生长第一AlN层；

具体的，通过MOCVD生长第一AlN层，其生长温度为1050℃，生长压力为100torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

（3）在第一AlN层上生长WS₂层；

具体的，通过CVD生长WS₂层，其生长温度为750℃，生长时，钨源和硫源的摩尔比为1:2.2，以Ar和H₂的混合气体（体积比1:3）作为载气。其中，钨源为二硫化钨，硫源为硫代硫酸钠。

（4）将步骤（3）得到的硅衬底进行氮化处理；

具体的，氮化处理在MOCVD中进行，以NH₃作为N源，以N₂和H₂作为载气，进行氮化处理。氮化处理温度为950℃，压力为300torr，氮化处理时间为30s。

（5）在氮化处理后的WS₂层上生长Al层；

具体的，通过MOCVD生长Al层。具体的，其生长温度为880℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD中通入N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

（6）在Al层上生长第二AlN层；

具体的，通过MOCVD生长第二AlN层，其生长温度为650℃，生长压力为100torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH₃作为N源，N₂和H₂作为载气，通入TMAl作为Al源。

（7）在第二AlN层上生长U-GaN层；

具体的，在MOCVD中生长U-GaN层。生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长过程中，以N₂作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源。

（8）在U-GaN层上生长N-GaN层；

具体的，在MOCVD中生长N-GaN层，生长温度为1140℃，生长压力为300torr，以N₂和H₂作为载气，TMGa作为Ga源，NH₃作为N源，SiH₄作为Si源。

（9）在N-GaN层上生长多量子阱层；

具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN阱层和GaN垒层，作为多量子阱层。其中，InGaN阱层的生长温度为780℃，以N₂作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH₃作为N源。GaN垒层的生长温度为860℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源。

（10）在多量子阱层上生长电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性生长Al_αGa_1-αN层和In_βGa_1-βN层，作为电子阻挡层。其中，Al_αGa_1-αN层的生长温度为940℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMAl作为Al源，NH₃作为N源。In_βGa_1-βN层的生长温度为940℃，以N₂和H₂的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH₃作为N源。

（11）在电子阻挡层上生长P-GaN层；

具体的，生长温度为960℃，以N₂和H₂作为载气，以TMGa作为Ga源，NH₃作为N源，CP₂Mg作为Mg源。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，以AlN层作为缓冲层2（即缓冲层2不包括WS₂层），其厚度为20nm。其通过PVD法制备而得。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，以WS₂层作为缓冲层2（即缓冲层2不包括第一AlN层），其厚度为20nm。其通过CVD法生长，具体生长方法与实施例1相同。其余均与实施例1相同。

将实施例1-3、对比例1-2得到的外延片进行粗糙度测试，然后将外延片加工制作成10×24mil具有垂直结构的LED芯片，测试其抗静电能力和亮度。

芯片具体的测试方法为：

（1）抗静电性能测试：在HBM（人体放电模型）模型下运用静电仪对芯片的抗静电性能进行测试，测试芯片能承受反向6000V静电的通过比例；

（2）亮度：在通入电流120mA时，测试所得芯片的亮度；

具体测试结果如下表所示：

由表中可以看出，当在外延结构中采用本发明的缓冲层后，外延片的粗糙度明显降低，抗静电性能、亮度提升。

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 (10)

1.一种硅基发光二极管外延片，其特征在于，包括硅衬底和依次生长于所述硅衬底上的缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层；其中，所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的第一AlN层和WS₂层；

所述第一AlN层的厚度为2-30nm，所述WS₂层的厚度为2-25nm。

2.如权利要求1所述的硅基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一AlN层的厚度为5-20nm，所述WS₂层的厚度为5-20nm。

3.如权利要求1所述的硅基发光二极管外延片，其特征在于，所述缓冲层还包括依次生长于所述WS₂层上的Al层和第二AlN层。

4.如权利要求3所述的硅基发光二极管外延片，其特征在于，所述Al层的厚度为1-5nm，所述第二AlN层的厚度为20-70nm。

5.如权利要求1-4任一项所述的硅基发光二极管外延片，其特征在于，所述WS₂层进行氮化处理，氮化温度为800-1000℃。

6.一种硅基发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的硅基发光二极管外延片，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、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层；其中，所述缓冲层包括依次生长于所述硅衬底上的第一AlN层和WS₂层；所述第一AlN层的厚度为2-30nm，所述WS₂层的厚度为2-25nm。

7.如权利要求6所述的硅基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第一AlN层通过MOCVD生长，其生长温度为1000-1100℃，生长压力为50-150torr；

所述WS₂层通过CVD生长，其生长温度为700-1000℃；生长时，钨源和硫源的摩尔比为1:（1-3），以Ar和H₂的混合气体作为载气，且Ar与H₂的体积比为1：（1-5）。

8.如权利要求6所述的硅基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述缓冲层还包括依次生长于所述WS₂层上的Al层和第二AlN层；

所述Al层通过MOCVD生长，其生长温度为800-1000℃，生长压力为200-400torr；

所述第二AlN层通过MOCVD生长，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-150torr。

9.如权利要求6所述的硅基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述WS₂层生长完成后采用NH₃进行氮化处理，所述氮化处理在MOCVD中进行，氮化处理温度为800-1000℃，压力为200-400torr。

10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的硅基发光二极管外延片。

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