CN203910839U - 一种生长在Si衬底上的LED外延片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生长在Si衬底上的LED外延片，包括Si衬底、AlN成核层、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，所述AlN成核层、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层依次生长在Si衬底上。本实用新型中外延生长多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层，确保在外延降温过程中不产生裂纹，能够在Si衬底上外延出高质量的GaN薄膜，降低缺陷密度，提高LED的内量子效率。

Description

一种生长在Si衬底上的LED外延片

技术领域

本实用新型涉及LED外延片，特别是一种生长在Si衬底上的LED外延片。

背景技术

发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。

III-族氮化物GaN在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。GaN是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的发光效率现在已经达到28％并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯(约为2％)或荧光灯(约为10％)等照明方式的发光效率。数据统计表明，我国目前的照明用电每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省接近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。因照明而产生的温室气体排放也会因此而大大降低。另外，与荧光灯相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。

通常GaN基LED制备所使用的衬底为蓝宝石以及SiC。但由于蓝宝石衬底价格较高，导致现阶段LED芯片价格处于一个较高的水平。其次，由于蓝宝石热导率低(100℃时为25W/m.K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，降低了器件的内量子效率，从而最终影响器件的性能。对于SiC而言，虽然不存在上述的缺点，但高昂的价格制约了它的应用；另外，SiC衬底制备GaN基LED的专利只掌握在少数的外国公司手上。因此我们迫切需要寻找一种价格低廉，具有高热导率的新型衬底。

Si衬底由于具有成熟的制备工艺，高的结晶质量，以及低廉的价格，高达100W/m.K的热导率，成为了制备GaN基LED器件衬底最好的选择之一。但与GaN之间巨大的晶格失配(16.9％)会在生长过程中产生大量的穿透位错，降低GaN层的晶体质量，而穿透位错的存在会导致缺陷复合，从而降低LED的内量子效率，极大的阻碍了LED的发光效率的提高。此外，巨大的热失配(54％)会在降温过程中引入张引力而在GaN表面产生裂纹，制约LED器件的制作。因此为了获得高发光效率的硅衬底GaN基LED，必须要外延出高质量的GaN薄膜，同时防止裂纹的产生。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在Si衬底上的LED外延片，本实用新型采用AlN及Al_xGa_1-xN作为起始缓冲层，利用缓冲层间的晶格差异产生的应力过滤穿透位错的延生；通过AlN/GaN应力补偿层补偿降温过程中的张力从而阻止裂纹的产生，进而能够外延出超过4μm，高质量的GaN薄膜；同时采用此结构外延生长Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，即LED外延片结构；确保在外延降温过程中不产生裂纹，能够在硅衬底上外延出高质量的GaN薄膜，降低缺陷密度，提高LED的内量子效率。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种生长在Si衬底上的LED外延片，包括Si衬底、AlN成核层、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，所述AlN成核层、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层依次生长在Si衬底上，其中，x为0-1，y为0-0.2，z为0-0.3。

优选的，所述Si衬底以(111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(0001)晶面平行于Si(111)晶面，所述AlN成核层生长在Si(111)晶面上。

优选的，所述Al_xGa_1-xN步进缓冲层包括Al_0.75Ga_0.25N缓冲层、Al_0.5Ga_0.5N缓冲层和Al_0.25Ga_0.75N缓冲层，所述Al_0.75Ga_0.25N缓冲层、Al_0.5Ga_0.5N缓冲层和Al_0.25Ga_0.75N缓冲层从下到上依次生长在AlN成核层与AlN/GaN应力补偿层之间。

优选的，所述AlN成核层的厚度为30-300nm；所述Al_0.75Ga_0.25N缓冲层的厚度为120-150nm，所述Al_0.5Ga_0.5N缓冲层的厚度为150-200nm，所述Al_0.25Ga_0.75N缓冲层的厚度为200-300nm，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN层的厚度为5-100nm，GaN层的厚度为50-2000nm，AlN与GaN为交替生长的周期性结构，所述AlN/GaN应力补偿层层数为3-5层；所述Si掺n-GaN厚度为1000-2000nm，其掺杂浓度为5x10¹⁷-1x10¹⁹cm^-3；所述In_yGa_1-yN/GaN量子阱层中，In_yGa_1-yN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数为3-10；所述Al_zGa_1-zN电子阻挡层的厚度为5-30nm；所述的Mg掺p-GaN厚度为100-300nm。

优选的，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN与GaN为交替生长的周期性结构，所述AlN/GaN应力补偿层层数为3-5层。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型采用AlN及Al_xGa_1-xN作为起始缓冲层，利用缓冲层间的晶格差异产生的应力过滤穿透位错的延生，GaN基LED外延片的高分辨X射线衍射摇摆曲线(RCXRD)GaN(0002)的半峰宽达到了400arcsec，(10-12)的半峰宽达到了538arcsec，接近蓝宝石衬底外延的GaN基LED的晶体质量；

2、通过多层AlN/GaN应力补偿层补偿降温过程中的张力从而阻止裂纹的产生，进而能够外延出超过4μm，高质量的GaN薄膜；同时采用此结构外延生长Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，即LED外延片结构；确保在外延降温过程中不产生裂纹，能够在硅衬底上外延出高质量的GaN薄膜，降低缺陷密度，提高LED的内量子效率至73％。

附图说明

图1为本实用新型生长在Si衬底上的LED外延片的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的LED外延片的GaN(0002)的高分辨X射线衍射摇摆曲线(RCXRD)图谱；

图3为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的LED外延片的GaN(10-12)的高分辨X射线衍射摇摆曲线(RCXRD)图谱；

图4为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的LED外延片的低温PL测试图；

其中，1为Si衬底，2为AlN成核层，3为Al_0.75Ga_0.25N缓冲层，4为Al_0.5Ga_0.5N缓冲层，5为Al_0.25Ga_0.75N缓冲层，6为AlN/GaN应力补偿层，7为Si掺n-GaN层，8为In_yGa_1-yN/GaN量子阱层，9为Al_zGa_1-zN电子阻挡层，10为Mg掺p-GaN层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，为本实用新型生长在Si衬底上的LED外延片，包括Si衬底1、AlN成核层2、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺n-GaN层7、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层8、Al_zGa_1-zN电子阻挡层9和Mg掺p-GaN层10，所述AlN成核层2、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺n-GaN层7、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层8、Al_zGa_1-zN电子阻挡层9和Mg掺p-GaN层10依次生长在Si衬底1上，其中，x为0-1，y为0-0.2，z为0-0.3。

优选方案中，所述Al_xGa_1-xN步进缓冲层包括Al_0.75Ga_0.25N缓冲层3、Al_0.5Ga_0.5N缓冲层4和Al_0.25Ga_0.75N缓冲层5，所述Al_0.75Ga_0.25N缓冲层3、Al_0.5Ga_0.5N缓冲层4和Al_0.25Ga_0.75N缓冲层5从下到上依次生长在AlN成核层2与AlN/GaN应力补偿层6之间。所述Si衬底1以(111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(0001)晶面平行于Si(111)晶面，所述AlN成核层2生长在Si衬底1(111)晶面上，Al_0.75Ga_0.25N缓冲层3、Al_0.5Ga_0.5N缓冲层4、Al_0.25Ga_0.75N缓冲层5、AlN/GaN应力补偿层6、Si掺n-GaN层7、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层8、Al_zGa_1-zN电子阻挡层9和Mg掺p-GaN层10依次生长在AlN成核层2上。

实施例1

生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面为模板作为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Si的(111)面，即GaN(0001)//Si(111)。

(2)Si衬底清洗以及退火处理，所述清洗及退火工艺具体过程为：采用高浓度的HF溶液(HF:H₂O＝1:1)对Si衬底进行长时间的刻蚀；再用去离子水清洗润洗30次；最后用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1050℃经行高温热退火。

(3)Si衬底温度为1100℃，在硅衬底上预铺一层Al原子层，防止硅衬底同NH₃接触反应生成SiN，接着通入NH₃将Al原子层氮化。

(4)Si衬底温度为1100℃，在步骤(2)所述的氮化后的AlN层上外延AlN成核层，其厚度为50nm。

(5)Si衬底温度为800℃，在步骤(3)所述AlN成核层上生长Al_xGa_1-xN步进缓冲层；依次生长150nm的Al_0.75Ga_0.25N缓冲层、200nm的Al_0.5Ga_0.5N缓冲层和220nm的Al_0.25Ga_0.75N缓冲层。

(6)在步骤(5)所述Al_0.25Ga_0.75N缓冲层上生长AlN/GaN应力补偿层，其中AlN层的生长温度为700℃,厚度为5nm；其上GaN层的生长温度为1000℃,厚度为250nm，生长4个周期。

(7)Si衬底温度为1000℃，在步骤(6)所述AlN/GaN应力补偿层上生长Si掺n-GaN层，其掺杂浓度为5x10¹⁷cm^-3，厚度为1500nm；

(8)保持Si衬底温度为1000℃，在步骤(7)所述的Si掺n-GaN层上依次外延In_0.15Ga_0.85N/GaN量子阱层、Al_0.1Ga_0.9N电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，其中In_0.15Ga_0.85N量子阱层厚度为3nm，GaN垒层厚度为10nm，生长10个周期；Al_0.1Ga_0.9N电子阻挡层厚度为5nm，Mg掺p-GaN层为150nm。

步骤(4)-(8)均采用金属有机化学气相沉积工艺。

图2、3是本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN基LED的X射线摇摆曲线图谱，从X射线摇摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于400arcsec，GaN(10-12)的半峰宽值为538arcsec；表明在Si(111)衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。

图4是本实施例制备的生长Si衬底上的GaN基LED的低温PL测试图，从低温(10K)PL测试的光致发光强度同常温(300K)PL测试的光致发光强度对比，可以看到该LED的内量子效率达到了73％；表明了在Si衬底上外延出了高发光效率的LED外延片。

最后用电子束蒸发形成欧姆接触制作横向结构芯片，在20mA的工作电流下，LED器件的光输出功率为4.57mW，开启电压值为3.64V。

实施例2

生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面为模板作为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Si的(111)面，即GaN(0001)//Si(111)。

(2)Si衬底清洗以及退火处理，所述清洗及退火工艺具体过程为：采用高浓度的HF溶液(HF:H₂O＝1:1)对Si衬底进行长时间的刻蚀；再用去离子水清洗润洗30次；最后用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1100℃经行高温热退火。

(3)Si衬底温度为600℃，在硅衬底上预铺一层Al原子层，防止硅衬底同NH₃接触反应生成SiN，接着通入NH₃将Al原子层氮化。

(4)Si衬底温度为600℃，在步骤(2)所述的氮化后的AlN层上外延AlN成核层，其厚度为100nm。

(5)Si衬底温度为800℃，在步骤(3)所述AlN成核层上生长Al_xGa_1-xN步进缓冲层；依次生长120nm的Al_0.75Ga_0.25N缓冲层、180nm的Al_0.5Ga_0.5N缓冲层和250nm的Al_0.25Ga_0.75N缓冲层。

(6)在步骤(5)所述Al_0.25Ga_0.75N缓冲层上生长AlN/GaN应力补偿层，其AlN层的生长温度为1000℃,厚度为10nm；其上GaN层的生长温度为1080℃,厚度为500nm，生长3个周期。

(7)Si衬底温度为1050℃，在步骤(6)所述AlN/GaN应力补偿层上生长Si掺n-GaN层，其掺杂浓度为1x10¹⁹cm^-3厚度为1500nm。

(8)保持Si衬底温度为1050℃，在步骤(7)所述的Si掺n-GaN层上依次外延In_0.2Ga_0.8N/GaN量子阱层、Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，其中In_0.2Ga_0.8N量子阱层厚度为4nm，GaN垒层厚度为12nm，生长9个周期；Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层厚度为20nm，Mg掺p-GaN层为200nm。

步骤(4)-(8)均采用金属有机化学气相沉积工艺。

用电子束蒸发形成欧姆接触制作横向结构芯片，在20mA的工作电流下，LED器件的光输出功率为4.72mW，开启电压值为3.83V。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，包括Si衬底、AlN成核层、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，所述AlN成核层、Al_xGa_1-xN步进缓冲层、AlN/GaN应力补偿层、Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层依次生长在Si衬底上，其中，x为0-1，y为0-0.2，z为0-0.3。

2.如权利要求1所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述Si衬底以(111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(0001)晶面平行于Si(111)晶面，所述AlN成核层生长在Si(111)晶面上。

3.如权利要求2所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述Al_xGa_1-xN步进缓冲层包括Al_0.75Ga_0.25N缓冲层、Al_0.5Ga_0.5N缓冲层和Al_0.25Ga_0.75N缓冲层，所述Al_0.75Ga_0.25N缓冲层、Al_0.5Ga_0.5N缓冲层和Al_0.25Ga_0.75N缓冲层从下到上依次生长在AlN成核层与AlN/GaN应力补偿层之间。

4.如权利要求3所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述AlN成核层的厚度为30-300nm；所述Al_0.75Ga_0.25N缓冲层的厚度为120-150nm，所述Al_0.5Ga_0.5N缓冲层的厚度为150-200nm，所述Al_0.25Ga_0.75N缓冲层的厚度为200-300nm，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN层的厚度为5-100nm，GaN层的厚度为50-2000nm；所述Si掺n-GaN厚度为1000-2000nm，其掺杂浓度为5x10¹⁷-1x10¹⁹cm^-3；所述In_yGa_1-yN/GaN量子阱层中，In_yGa_1-yN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为5-15nm，周期数为3-10；所述Al_zGa_1-zN电子阻挡层的厚度为5-30nm；所述的Mg掺p-GaN厚度为100-300nm。

5.如权利要求1-4任一项所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于，所述AlN/GaN应力补偿层中AlN与GaN为交替生长的周期性结构，所述AlN/GaN应力补偿层层数为3-5层。