CN205508855U - 一种采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片，具体是采用金属有机化合物气相外延在Si衬底上生长LED外延片，其结构包括Si衬底层、依次生长在Si衬底层的AlN缓冲层、步进AlxGa1‑xN缓冲层和AlN插入层、下层三维GaN岛层、原位SiN插入层、上层三维GaN岛层、n‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p‑GaN层。本实用新型的Si衬底上LED外延片具有残余应力低，缺陷密度小，晶体质量好，光电性能优异等特点。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体技术领域，具体涉及一种采用金属有机化合物气相外延技术在Si衬底上生长LED外延片。
背景技术
采用GaN及其相关的III族半导体材料制备发光二极管(LED)是现阶段常用的技术手段，然而成本问题一直是阻碍LED技术扩展的重要因素。如今，Si单晶体成熟的生长工艺可用较低成本获得大面积高质量Si衬底，在Si衬底生长LED有效降低了LED的制备成本，并且适用于大功率LED器件的制备。
虽然Si具有许多优越性，但在Si衬底上制备的GaN单晶薄膜质量不如传统的蓝宝石衬底，且Si与GaN的晶格失配度较大(约16％)，在Si上生长的GaN外延层缺陷难以实现数量级减少。同时，Si与GaN热失配高达114％，导致外延层产生巨大张应力，从而容易引起外延层龟裂。
目前，国内外已有多种技术实现在Si衬底上生长高质量GaN薄膜。原位SiN插入层技术能实现三维GaN岛状生长、抑制错位缺陷和改善Si衬底上GaN薄膜的晶体质量，提高LED的器件性能与可靠性，现已成为主流的LED制备技术。然而，传统的原位SiN插入层通常被沉积在二维平面生长的GaN模版上，这种沉积方式很容易 导致Si衬底上外延的LED薄膜的残余应力增大，造成薄膜表面形成微裂纹。为了进一步增加该技术的可靠性与适用性，需要寻求一种方法克服传统原位SiN插入层在应力控制所存在缺陷。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供的一种采用原位SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,通过引入一种新型的SiN插入层结构，提供一种残余应力低、缺陷密度小、晶体质量好、光电性能优异的LED外延片。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,其特征在于：包括Si衬底层、依次生长在Si衬底层上的AlN缓冲层、步进AlxGa1-xN缓冲层、AlN插入层、下层三维GaN岛层、原位SiN插入层、上层三维GaN岛层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p-GaN层。
优选地，所述AlN缓冲层的厚度为90-110nm。
优选地，所述步进AlxGa1-xN缓冲层包括依次生长的Al0.2Ga0.8N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层、Al0.8Ga0.2N缓冲层，其中Al0.2Ga0.8N缓冲层厚度为95-105nm，所述Al0.5Ga0.5N缓冲层厚度为140-155nm，所述Al0.8Ga0.2N缓冲层厚度为185-210nm。
优选地，所述AlN插入层的厚度为30-45nm。
优选地，所述下层三维GaN岛层是由若干厚度一致且相互独立 的岛组成，其中相互独立的岛的厚度为30-200nm，由相互独立的岛形成的下层三维GaN岛层的平均厚度为145-155nm。
优选地，所述下层三维GaN岛层、原位SiN插入层、上层三维GaN岛层的总厚度为500-1500nm。
本实用新型的有益技术效果是：
本实用新型采用先形成相互独立的下层三维GaN岛层，再在下层三维GaN岛层上沉积原位SiN插入层，能进一步加强下层三维GaN岛层的局域化生长，从而增强下层三维GaN岛层生长，能有效抑制缺陷密度大的缺陷。相比与传统的原位SiN沉积方法，本实用新型所采用的原位SiN插入三维GaN岛层的方式能够有效的降低LED外延片的残余应力，抑制裂纹的形成，克服了传统原位SiN技术存在的应力控制缺陷。
附图说明
图1为本实用新型生长在Si衬底上的LED外延片的示意图。
图2为实施例4制备的LED外延片的拉曼光谱图。
图3为实施例4制备的LED外延片的高分辨X射线衍射(HRXRD)图谱，图中，1为GaN(0002)的X射线衍射(HRXRD)图谱，2为GaN(10-12)的X射线衍射(HRXRD)图谱。
图4为应用实施例1制备的蓝光LED芯片的电流与光功率、电流与电压曲线图，图中，1为蓝光LED芯片的电流与光功率图，2为蓝光LED芯片的电流与电压曲线图。
其中，11、Si衬底层；12、AlN缓冲层；13、步进AlxGa1-xN缓冲层；14、AlN插入层；15、下层三维GaN岛层；16、原位SiN插入层；17、上层三维GaN岛层；18、n-GaN层；19、InGaN/GaN多量子阱层；20、p-GaN层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：
如图1所示，本实用新型公开的采用原位SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片，其包括Si衬底层11、依次生长在Si衬底层11上的AlN缓冲层12、步进AlxGa1-xN缓冲层13、AlN插入层14、由相互独立的岛组成的下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16、上层三维GaN岛层17，以及在上层三维GaN岛层17上生长的n-GaN层18、InGaN/GaN多量子阱层19和p-GaN层20。
实施例1
本实施例公开的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片，其包括Si衬底层11、厚度为90nm AlN缓冲层12、由厚度为95nm Al0.2Ga0.8N缓冲层、厚度为140nm Al0.5Ga0.5N缓冲层、厚度为185nm Al0.8Ga0.2N缓冲层组成的步进AlxGa1-xN缓冲层13、厚度为30nm AlN插入层14、由相互独立的岛组成平均厚度为145nm的下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16、上层三维GaN岛层17，其中下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16、上层三维GaN岛层17的总厚度为500nm，还包括依次在上层三维GaN岛层17上生长厚度为2μm n-GaN层18、厚度为140nm InGaN/GaN多量子阱层19和厚度为200nm p-GaN层20，其中，InGaN/GaN多量子阱层19是由厚度为3nm GaN和厚度为11nm InGaN依次交错排布形成，共排布十个周期。
实施例2
本实施例公开的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片，其包括Si衬底层11、厚度为100nm AlN缓冲层12、由厚度为55nm Al0.2Ga0.8N缓冲层、厚度为150nm Al0.5Ga0.5N缓冲层、厚度为200nm Al0.8Ga0.2N缓冲层组成的步进AlxGa1-xN缓冲层13、厚度为40nm AlN插入层14、由相互独立的岛组成平均厚度为150nm的下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16、上层三维GaN岛层17，其中下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16、上层三维GaN岛层17的总厚度为1000nm，还包括依次在上层三维GaN岛层17上生长厚度为3μm n-GaN层18、厚度为155nm InGaN/GaN多量子阱层19和厚度为205nm p-GaN层20，其中，InGaN/GaN多量子阱层19是由厚度为3.5nm GaN和厚度为12nm InGaN依次交错排布形成，共排布十个周期。
实施例3
本实施例公开的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片，其包括Si衬底层11、厚度为110nm AlN缓冲层12、由厚度为105nm Al0.2Ga0.8N缓冲层、厚度为155nmAl0.5Ga0.5N缓冲层、厚度为210nm Al0.8Ga0.2N缓冲层组成的步进AlxGa1-xN缓冲层13、厚度为45nm AlN插入层14、由相互独立的岛组成平均厚度为155nm的下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16、上层三维GaN岛层17，其中下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16、上层三维GaN岛层17的总厚度为 1500nm，还包括依次在上层三维GaN岛层17上生长厚度为4μm n-GaN层18、厚度为170nm InGaN/GaN多量子阱层19和厚度为210nm p-GaN层20，其中，InGaN/GaN多量子阱层19是由厚度为4nm GaN和厚度为13nm InGaN依次交错排布形成，共排布十个周期。
实施例4
本实施例是在实施例3的基础上进行改进的，区别是：在LED外延片的制备过程中，原位SiN插入层16的沉积时间为35s,并在不改变下层三维GaN岛层15平均厚度条件下，下层三维GaN岛层15、原位SiN插入层16和上层三维GaN岛层17的总厚度为1100nm。
本实施例制备的Si衬底上LED外延片具有较低的残余应力和优异的晶体质量，图2是本实施例制备的LED外延片的拉曼光谱图，其中GaN E2(high)峰的波峰为567.02cm-1与无应力GaN E2(high)的567.5cm-1峰位十分相近，说明本样品的残余应力较小。图3是本实施例制备的LED外延片的X射线回摆曲线，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低至339arcsec(图3中的1所示)，GaN(10-12)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低至386arcsec(图3中的2所示)，表明在Si衬底上,生长的LED外延片具有残余应力低、缺陷密度小、晶体质量好、光电性能优异的特点。
应用实施例1
取实施例3制备的LED外延片，将实施例3中的LED外延片制备垂直结构LED芯片，具体过程如下：先将外延片进行清洗，随后在p-GaN层表面依次蒸镀Ti/Ag/Ti/Au，再将另一块n型(100)面 Si表面蒸镀上相同金属后与p-GaN层表面进行键合，然后采用化学腐蚀的方法去除外延用Si衬底，获得AlN表面，接着采用ICP刻蚀，暴露出n-GaN层表面，并在n-GaN层表面依次蒸镀Cr/Pt/Au电极，最后采用环氧树脂进行封装。如图4所示，封装后的蓝光LED在350mA的工作电流下，光输出功率为483mW(图4中1所示)，运行电压为3.1V(图4中2所示)。
对于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变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,其特征在于：包括Si衬底层、依次生长在Si衬底层上的AlN缓冲层、步进AlxGa1-xN缓冲层、AlN插入层、下层三维GaN岛层、原位SiN插入层、上层三维GaN岛层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p-GaN层。
2.根据权利要求1所述的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,其特征在于：所述AlN缓冲层的厚度为90-110nm。
3.根据权利要求1所述的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,其特征在于：所述步进AlxGa1-xN缓冲层包括依次生长的Al0.2Ga0.8N缓冲层、Al0.5Ga0.5N缓冲层、Al0.8Ga0.2N缓冲层，其中Al0.2Ga0.8N缓冲层厚度为95-105nm，所述Al0.5Ga0.5N缓冲层厚度为140-155nm，所述Al0.8Ga0.2N缓冲层厚度为185-210nm。
4.根据权利要求1所述的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,其特征在于：所述AlN插入层的厚度为30-45nm。
5.根据权利要求1所述的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,其特征在于：所述下层三维GaN岛层是由若干厚度一致且相互独立的岛组成，其中相互独立的岛的厚度为30-200nm，由相互独立的岛形成的下层三维GaN岛层的平均厚度为145-155nm。
6.根据权利要求1所述的采用SiN插入层在Si衬底上生长的LED外延片,其特征在于：所述下层三维GaN岛层、原位SiN插入层、上层三维GaN岛层的总厚度为500-1500nm。
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