CN116759505A - 基于硅衬底的led外延片及其制备方法、led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅衬底的LED外延片及其制备方法、LED，涉及半导体光电器件领域。LED外延片包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述复合缓冲层包括依次层叠于所述硅衬底上的SiON层、AlSiN层、AlGaN氧化层和P‑GaN成核层；所述AlGaN氧化层由AlGaN层在含氧气氛中氧化而得，其氧化温度≤700℃。实施本发明，可提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种基于硅衬底的LED外延片及其制备方法、LED。
背景技术
在氮化物半导体光电器件中，GaN基发光二极管(LED)的广泛应用，开创了半导体照明的新纪元。III族氮化物没有可用的体块单晶衬底，GaN的单晶薄膜材料只能在如碳化硅（SiC）、蓝宝石(Al2O3)和硅（Si）等其他材底上进行异质外延生长。相比蓝宝石和SiC衬底，硅衬底具有诸多优势，如结晶质量高、尺寸大、价格便宜等。但硅衬底与GaN之间存在着巨大的晶格失配（17%）和热失配（46%），大的晶格失配导致外延材料中位错密度高，大的热失配则造成GaN薄膜生长后在降温过程中受到巨大张应力而导致外延片弯曲或者GaN薄膜开裂。使得外延片的发光效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于硅衬底的LED外延片及其制备方法，其可提升发光二极管的发光效率。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种基于硅衬底的LED。
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于硅衬底的LED外延片，其包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述复合缓冲层包括依次层叠于所述硅衬底上的SiON层、AlSiN层、AlGaN氧化层和P-GaN成核层；
所述AlGaN氧化层由AlGaN层在含氧气氛中氧化而得，其氧化温度≤700℃。
作为上述技术方案的改进，所述SiON层的厚度为10nm~50nm；
所述AlSiN层的厚度为10nm~50nm；
所述P-GaN成核层中P型掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3；其厚度为50nm~100nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaN氧化层的氧化温度为580℃~650℃，氧化时间为40min~80min。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaN氧化层的厚度为200nm~600nm。
相应的，本发明还公开了一种基于硅衬底的LED外延片的制备方法，用于制备上述的基于硅衬底的LED外延片，其包括：
提供硅衬底，在所述硅衬底上依次生长复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述复合缓冲层包括依次层叠于所述硅衬底上的SiON层、AlSiN层、AlGaN氧化层和P-GaN成核层；
所述AlGaN氧化层由AlGaN层在含氧气氛中氧化而得，其氧化温度≤700℃。
作为上述技术方案的改进，所述SiON层通过PECVD制得，其沉积温度为80℃~110℃，压力为50Pa~100Pa，95vol%SiH4-5vol%NH3流量为400sccm~600sccm，N2流量为500sccm~700sccm，N2O流量为80sccm~100sccm，高频功率为40W~80W，低频功率为20W~50W。
作为上述技术方案的改进，所述AlSiN层通过PVD制成，
溅射功率为250W~300W，溅射气压为0.5Pa~1Pa，溅射时间为15min~30min；溅射气体为Ar和N2，且Ar和N2的体积比为1:1.3~1:2.5。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaN氧化层的制备方法为：
在所述AlSiN层上生长AlGaN层，其生长温度为700℃~900℃，生长压力为100torr~300torr；
将所述AlGaN层在O2气氛下氧化，其氧化温度为580℃~650℃，氧化时间为40min~80min。
作为上述技术方案的改进，所述P-GaN成核层的生长温度为900℃~1100℃，生长压力为50torr~200torr。
相应的，本发明还公开了一种基于硅衬底的LED，其包括是上述的基于硅衬底的LED外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明的基于硅衬底的LED外延片，在硅衬底与非掺杂GaN层之间设置了复合缓冲层，其包括依次层叠于所述硅衬底上的SiON层、AlSiN层、AlGaN氧化层和P-GaN成核层。其中，SiON层的晶格常数与硅衬底相近，可有效缓解因应力失配带来的应力问题。AlSiN层和SiON层可共同防止Ga回熔，降低后续层中的位错密度。此外，SiON层的折射率控制在1.5~1.8左右，AlSiN层的折射率控制在1.8~2.0左右，通过这种结构，可提升光提取效率，提升发光效率。AlGaN氧化层由AlGaN层在含氧气氛中氧化而得，其氧化温度≤700℃。通过这种氧化工艺，在将AlGaN材料部分转换为AlGaON的同时，也实现了对SiON层、AlSiN层的退火，提升了晶体质量，进一步降低了位错密度。此外，由于AlGaON中引入了O，造成其晶格膨胀，又由于其位错密度小，生长过程的应力得以较好的积累而不被位错弛豫，故AlGaN氧化层生长之后积累了较多的压应力，在后续生长时良好地补偿残余的张应力。P-GaN成核层中引入了Mg，其迁移率低，可调控该层形成三维岛的密度，控制后续沉积其他层的晶体质量。
附图说明
图1是本发明一实施例中基于硅衬底的LED外延片的结构示意图；
图2是本发明一实施例中基于硅衬底的LED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，本发明公开了一种LED外延片基于硅衬底的LED外延片，包括硅衬底1和依次设于硅衬底1上的复合缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。其中，复合缓冲层2包括依次层叠在硅衬底1上的SiON层21、AlSiN层22、AlGaN氧化层23和P-GaN成核层24。
其中，SiON层21的厚度为10nm~50nm，示例性的为12nm、18nm、23nm、30nm、34nm、41nm或47nm，但不限于此。
其中，AlSiN层22的厚度为10nm~50nm，示例性的为14nm、17nm、22nm、28nm、32nm、35nm、42nm或48nm，但不限于此。
其中，AlGaN氧化层23由AlGaN层在含氧气氛中氧化而得，其氧化温度≤700℃，当其氧化温度＞700℃时，则会产生较多的AlGaO，其与后续生长的P-GaN成核层24的晶格失配较大，难以有效提升发光效率。优选的，在本发明的一个实施例之中，将AlGaN层在O2气氛中氧化，氧化温度为580℃~650℃，氧化时间为40min~80min。基于该氧化温度和氧化时间，一者使得AlGaN材料部分转换为AlGaON材料，由于AlGaON材料中引入了O，造成其晶格膨胀，故积累了压应力，在LED外延片生长完成后降温时，可补偿降温带来的张应力。二者，实现了对SiON层、AlSiN层的退火，提升了晶体质量，进一步降低了位错密度；防止AlGaN层氧化过程中所积累的应力被位错弛豫。
其中，AlGaN氧化层23的厚度为200nm~600nm，当其厚度＜200nm时，积累应力过少，难以有效补偿LED外延片冷却带来的张应力。当其厚度＞600nm时，该层呈无应力状态，甚至是张应力状态。示例性的，AlGaN氧化层23的厚度为220nm、270nm、310nm、340nm、370nm、400nm、420nm或550nm，但不限于此。
其中，P-GaN成核层24中P型掺杂元素为Mg、Be或Zn，但不限于此；优选的为Mg。P-GaN成核层24中P型元素的掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3；示例性的为3×1017cm-3、7×1017cm-3、1×1018cm-3、4×1018cm-3或8×1018cm-3，但不限于此。P-GaN成核层24的厚度为50nm~100nm，示例性的为53nm、61nm、68nm、76nm、82nm、91nm或99nm，但不限于此。
其中，非掺杂GaN层3的厚度500nm~1500nm，示例性的为550nm、750nm、1150nm或1450nm，但不限于此。本发明的复合缓冲层2为非掺杂GaN层3提供了良好的生长条件，减小了非掺杂GaN层3的厚度。
其中，N型GaN层4的掺杂元素为Si或Ge，但不限于此，优选的为Si。N型GaN层4的掺杂浓度为5×1018cm-3~5×1019cm-3，示例性的为6×1018cm-3、9×1018cm-3、3×1019cm-3或4×1019cm-3，但不限于此。N型GaN层4的厚度为1μm~3μm，示例性的为1.2μm、1.6μm、2μm、2.4μm、2.8μm或2.9μm，但不限于此。
其中，多量子阱层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，堆叠周期数3~15。单个InGaN量子阱层的厚度为2nm~5nm，示例性的为2.5nm、3.3nm、3.7nm、4.1nm、4.5nm或4.9nm，但不限于此。单个AlGaN量子垒层的厚度为5nm~15nm，示例性的为6.4nm、8nm、10nm、12nm或14nm，但不限于此。
其中，电子阻挡层6为AlInGaN层，其厚度为10nm~50nm，示例性的为12nm、18nm、25nm、30nm、42nm或45nm，但不限于此。
其中，P型GaN层7中的P型掺杂元素为Mg、Be或Zn，但不限于此。优选的为Mg。P型GaN层7中P型掺杂浓度为1×1019cm-3~1×1021cm-3，示例性的为3×1019cm-3、7×1019cm-3、1×1020cm-3、4×1020cm-3或8×1020cm-3，但不限于此。P型GaN层7的厚度为10nm~50nm，示例性的为12nm、18nm、25nm、30nm、42nm或45nm，但不限于此。
相应的，参考图2，本发明还公开了一种基于硅衬底的LED外延片的制备方法，用于制备上述的基于硅衬底的LED外延片，其包括以下步骤：
S1：提供硅衬底；
S2：在硅衬底上依次生长复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
具体的，步骤S2包括：
S21：在硅衬底上生长复合缓冲层；
具体的，步骤S21包括：
S211：在硅衬底上生长SiON层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过PECVD沉积SiON层，其沉积温度为80℃~110℃，压力为50Pa~100Pa，95vol%SiH4-5vol%NH3流量为400sccm~600sccm，N2流量为500sccm~700sccm，N2O流量为80sccm~100sccm，高频功率为40W~80W，低频功率为20W~50W。基于该方法制备得到的SiON层中O含量较高，且主要呈非晶态，可良好的缓冲应力失配。此外，基于该制备方法制得的SiON层的折射率在1.5~1.8左右，可有效的提升光提取效率，提升外量子效率。
S212：在SiON层上生长AlSiN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过PVD溅射AlSiN层，溅射时所采用的靶材包括Al溅射靶，Al-Si溅射靶（在Al溅射靶上放置硅片），溅射功率为250W~300W，溅射气压为0.5Pa~1Pa，溅射时间为15min~30min；溅射气体为Ar和N2，且Ar和N2的体积比为1:1.3~1:2.5。基于该方法制备得到的AlSiN层的折射率为1.8~2.0左右，可提升光提取效率。
S213：在AlSiN层上生长AlGaN层；
其中，可通过PVD、MOCVD、MBE或VPE生长AlGaN层，但不限于此。
优选的，在本发明的另一个实施例之中，通过MOCVD生长AlGaN层。其生长温度为700℃~900℃，生长压力为100torr~300torr。
S214：将AlGaN层在含氧气氛中氧化，得到AlGaN氧化层；
其中，在本发明的一个实施例之中，氧化温度为580℃~650℃，氧化时间为40min~80min。
S215：在AlGaN氧化层上生长P-GaN成核层，得到复合缓冲层；
其中，可通过MOCVD、MBE或VPE生长P-GaN成核层，但不限于此。
优选的，在本发明的另一个实施例之中，通过MOCVD生长P-GaN成核层。其生长温度为900℃~1100℃，生长压力为50torr~200torr。
S22：在复合缓冲层上生长非掺杂GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长非掺杂GaN层，生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~500torr。
S23：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~500torr。
S24：在N型GaN层上生长多量子阱层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，以形成多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为750℃~850℃，生长压力为50torr~300torr。AlGaN量子垒层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为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，通过MOCVD生长AlInGaN层，作为电子阻挡层。其生长温度为800℃~900℃，生长压力为50torr~300torr。
S26：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长P型GaN层，生长温度为900℃~1050℃，生长压力100torr~500torr。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
参考图1，本实施例提供一种基于硅衬底的LED外延片，其包括硅衬底1和依次设于硅衬底1上的复合缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。
其中，复合缓冲层2包括依次层叠于硅衬底1上的SiON层21、AlSiN层22、AlGaN氧化层23和P-GaN成核层24。SiON层21的厚度为25nm，AlSiN层22的厚度为20nm，AlGaN氧化层23的厚度为300nm，P-GaN成核层24的厚度为35nm，其Mg掺杂浓度为5×1018cm-3。
其中，非掺杂GaN层3的厚度为850nm。N型GaN层4的厚度为2μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为7×1019cm-3。
其中，多量子阱层5为周期性结构，周期数为10，每个周期均包括依次层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。其中，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个AlGaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6为AlInGaN层，其厚度为40nm。P型GaN层7的厚度为20nm，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为5×1020cm-3。
本实施例中用于基于硅衬底的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
（1）提供硅衬底。
（2）在硅衬底上生长SiON层；
其中，通过PECVD沉积SiON层，其沉积温度为100℃，压力为80Pa，95vol%SiH4-5vol%NH3流量为450sccm，N2流量为600sccm，N2O流量为88sccm，高频功率为50W，低频功率为40W。
（3）在SiON层上生长AlSiN层；
其中，通过PVD溅射AlSiN层，溅射功率为280W，溅射气压为0.65Pa，溅射时间为25min；溅射气体为Ar和N2，且Ar和N2的体积比为1:2。
（4）在AlSiN层上生长AlGaN层；
其中，通过MOCVD生长AlGaN层。其生长温度为840℃，生长压力为140torr。
（5）将AlGaN层在氧气气氛中氧化，得到AlGaN氧化层；
其中，氧化温度为620℃，氧化时间为70min。
（6）在AlGaN氧化层上生长P-GaN成核层，得到复合缓冲层；
其中，通过MOCVD生长P-GaN成核层。其生长温度为1000℃，生长压力为80torr。
（7）在复合缓冲层上生长非掺杂GaN层；
其中，在MOCVD中生长非掺杂GaN层，生长温度为1160℃，生长压力为300torr。
（8）在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1150℃，生长压力为300torr。
（9）在N型GaN层上生长多量子阱层；
其中，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，以形成多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为790℃，生长压力为200torr。AlGaN量子垒层的生长温度为880℃，生长压力为200torr。
（10）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，通过MOCVD生长AlInGaN层，作为电子阻挡层。其生长温度为880℃，生长压力为200torr。
（11）在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，通过MOCVD生长P型GaN层。其生长温度为1000℃，生长压力为200torr。
实施例2
本实施例提供一种基于硅衬底的LED外延片，其与实施例1的区别在于：
AlGaN氧化层23的氧化温度为550℃，氧化时间为70min。
其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种基于硅衬底的LED外延片，其与实施例1的区别在于：
SiON层的生长过程中，即步骤（2）中，N2O的流量为60sccm。
其余均与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种基于硅衬底的LED外延片，其与实施例1的区别在于：
AlSiN层的生长过程中，即步骤（3）中，溅射气压为0.4Pa，且Ar和N2的体积比为1:1。
其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于：
复合缓冲层2为AlN层，其厚度为50nm，其通过PVD制得。
其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于：
不包括SiON层和AlSiN层，相应的，也不包括该两层的制备步骤。
其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于：
不包括AlGaN氧化层，相应的，也不包括该层的制备步骤。
其余均与实施例1相同。
将实施例1~实施例4，对比例1~对比例3所得的LED外延片加工制作成10×24mil具有垂直结构的LED芯片，测试其在电流为120mA时的亮度，每个实施例、对比例各测试10个，取平均值。并以对比例1为基准，计算亮度提升率。
具体结果如下：
由表中可以看出，当在传统的发光二极管结构中的缓冲层（对比例1）替换为本发明的复合缓冲层（实施例1）时，有效提升了发光效率。
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)
1.一种基于硅衬底的LED外延片，其特征在于，包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述复合缓冲层包括依次层叠于所述硅衬底上的SiON层、AlSiN层、AlGaN氧化层和P-GaN成核层；
所述AlGaN氧化层由AlGaN层在含氧气氛中氧化而得，其氧化温度≤700℃。
2.如权利要求1所述的基于硅衬底的LED外延片，其特征在于，所述SiON层的厚度为10nm~50nm；
所述AlSiN层的厚度为10nm~50nm；
所述P-GaN成核层中P型掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3；其厚度为50nm~100nm。
3.如权利要求1或2所述的基于硅衬底的LED外延片，其特征在于，所述AlGaN氧化层的氧化温度为580℃~650℃，氧化时间为40min~80min。
4.如权利要求3所述的基于硅衬底的LED外延片，其特征在于，所述AlGaN氧化层的厚度为200nm~600nm。
5.一种基于硅衬底的LED外延片的制备方法，用于制备如权利要求1~4任一项所述的基于硅衬底的LED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复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述复合缓冲层包括依次层叠于所述硅衬底上的SiON层、AlSiN层、AlGaN氧化层和P-GaN成核层；
所述AlGaN氧化层由AlGaN层在含氧气氛中氧化而得，其氧化温度≤700℃。
6.如权利要求5所述的基于硅衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述SiON层通过PECVD制得，其沉积温度为80℃~110℃，压力为50Pa~100Pa，95vol%SiH4-5vol%NH3流量为400sccm~600sccm，N2流量为500sccm~700sccm，N2O流量为80sccm~100sccm，高频功率为40W~80W，低频功率为20W~50W。
7.如权利要求5所述的基于硅衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述AlSiN层通过PVD制成，
溅射功率为250W~300W，溅射气压为0.5Pa~1Pa，溅射时间为15min~30min；溅射气体为Ar和N2，且Ar和N2的体积比为1:1.3~1:2.5。
8.如权利要求5所述的基于硅衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述AlGaN氧化层的制备方法为：
在所述AlSiN层上生长AlGaN层，其生长温度为700℃~900℃，生长压力为100torr~300torr；
将所述AlGaN层在O2气氛下氧化，其氧化温度为580℃~650℃，氧化时间为40min~80min。
9.如权利要求6所述的基于硅衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述P-GaN成核层的生长温度为900℃~1100℃，生长压力为50torr~200torr。
10.一种基于硅衬底的LED，其特征在于，包括如权利要求1~4任一项所述的基于硅衬底的LED外延片。
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