一種生長在Si襯底上的LED外延片及其製備方法
2023-05-09 04:39:26 3
專利名稱：一種生長在Si襯底上的LED外延片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種LED外延片，具體涉及一種生長在Si襯底上的LED外延片及其製備方法。
背景技術：
GaN半導體材料具有優異的光電性能，自1. Akasaki首次成功獲得p_GaN,實現藍光LED的新突破後，GaN基化合物半導體一直備受關注，在室內照明、商業照明、工程照明等領域有著廣泛的應用。高質量GaN材料一般都通過異質外延方法製作。襯底的選擇對外延生長GaN材料的質量影響很大，一般需要遵循晶格常數匹配、熱膨脹係數匹配、價格適宜等原則。此外，不同襯底材料對GaN基LED器件的製備工藝也有非常重要的影響。譬如由於GaN晶體存在著自發極化和壓電極化效應，不同的襯底會使所獲得的材料表現出不同的極化特性。此外，由於不同材料價格差異較大，襯底材料的不同還會使LED的成本產生較大的差別。由此可見，GaN基LED襯底材料的選擇至關重要。作為常用於生長GaN的襯底，藍寶石、SiC、Si目前都已實現器件級LED的製備，但各自襯底材料所帶來的外延層生長問題，還需要不斷攻克。藍寶石有穩定的物理化學性質，但它與GaN間存在很大的晶格失配(16%)及熱應力失配(25%)，造成生長的GaN外延層質量較差。同時它導熱性能差，這也嚴重製約著藍寶石襯底大功率LED的發展。SiC雖然與GaN的晶格失配度僅3. 5%， 導熱率較高，但它的熱應力失配與藍寶石相當(25. 6%)，與GaN的潤溼性較差，價格昂貴，並且製造技術已被美國Cree壟斷，因此也無法普遍使用。Si正是基於上述原因而被人們用以替代上述兩種襯底的新型襯底，具有廣闊的應用前景。首先，Si單晶體成熟的生長工藝使得可用較低成本獲得大面積高質量Si襯底，降低LED器件的成本。其次，Si具有良好的導熱、導電性能，可方便製成散熱良好的垂直結構器件。再次，Si的微電子技術十分成熟。因此Si襯底上生長GaN薄膜有望實現光電子和微電子的集成。目前，國內外研究人員不斷對Si襯底上生長GaN的外延技術進行研究，並有報導成功製備出LED。然而，雖然Si具有許多的優越性，但在Si襯底上製備的GaN單晶薄膜質量不如藍寶石襯底，想實現器件級Si基LED的製備還面臨許多難題。首先，Si與GaN的晶格失配度仍然很大(約16%)，與藍寶石相當，在Si上生長的GaN外延層中的缺陷並沒有數量級的減少。其次，Si的熱膨脹係數為2.61X10_6/K，與GaN熱失配高達114%，遠遠高於藍寶石(約-25. 5%)，這樣會導致在外延層中產生巨大的張應力，從而更容易引起外延層的龜裂。再次，在Si襯底上外延生長GaN時會通入N2氣，由於S1-N的鍵能很大，Si襯底遇活性N易在界面處形成無定形的SixNy層，這嚴重影響了所獲得GaN基LED器件的質量。由此可見，即便Si襯底具有成本低、散熱好，且方便製成垂直器件等優點，具有非常良好的發展前景，但要使Si襯底GaN基LED能夠真正實現大規模應用，需要提高Si襯底上生長的LED外延片的質量，尋找Si襯底上生長LED外延片的新方法及工藝。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種具有優異的電學和光學性質的生長在Si襯底上的LED外延片。本發明的另一目的在於提供上述生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案
一種生長在Si襯底上的LED外延片，其包括Si襯底層、生長在Si襯底層上的Al2O3保護層，在Al2O3保護層上依次生長出U-GaN緩衝層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p_GaN層。本發明先在Si襯底層上生長Al2O3保護層，之後再生長GaN薄膜層，Al2O3保護層能夠有效防止Si襯底的界面處與活性N反應形成無定形的SixNy,從而避免了 SixNy層對GaN生長質量的影響，獲得高質量的GaN薄膜。另外，Al2O3保護層能夠緩解Si襯底與GaN間巨大的熱應力失配(114%)，同時防止Si擴散到GaN中。優選地，所述Al2O3保護層的厚度為3 — 5nm。優選地，所述U-GaN緩衝層包括低溫U-GaN緩衝層和高溫U-GaN緩衝層，低溫U-GaN緩衝層是在Si襯底溫度為600 — 700°C的條件下生長的，高溫U-GaN緩衝層是在Si襯底溫度為750 - 850°C的條件下`生長的。一種生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，採用Si襯底，選擇Si (111)晶面生長Al2O3保護層，接著依次生長出U-GaN緩衝層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p_GaN層。優選地，採用分子束外延生長法Al2O3保護層，具體是在Si(Ill)面上鍍上一層厚度為3 - 5nm的Al層，在Si襯底溫度為800 — 900°C時通入氧等離子體至形成Al2O3保護層J保溫。優選地，採用脈衝雷射沉積生長法U-GaN緩衝層，具體是採用脈衝雷射沉積生長法先在Si襯底溫度為600 - 700°C、反應室壓力為3 - 4X10 —icWTorr、V /III比為30 —40、生長速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長低溫U-GaN緩衝層；接著採用脈衝雷射沉積生長法在Si襯底溫度為750 - 850°C、反應室壓力為3 — 4X 10 —lclmTorr、V /III比為30 —40、生長速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長高溫U-GaN緩衝層。優選地，採用分子束外延生長法在Si襯底溫度為450 - 550°C、反應室壓力為3 —4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 60、生長速度為0.4 — 0. 8ML/s的條件下生長n_GaN層。優選地，採用分子束外延生長法在襯底溫度為500 - 750°C，反應室壓力為3 —4X10 —1VTorr、V /III比為 30 — 60、生長速度為 0. 4 - 0. 8ML/s 的條件下生長 InGaN/GaN量子阱層。優選地，採用分子束外延生長法在襯底溫度450 - 550°C，反應室壓力為3 —4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 60、生長速度為0.4 — 0. 8ML/s的條件下生長p_GaN層。優選地，在Al2O3保護層生長之前，先對Si襯底依次進行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。
與現有技術相比，本發明的有益效果是1、本發明使用Si作為襯底，在Si (111)上先生長一層Al2O3保護層，可有效防止Si在界面處與活性N反應形成無定形的SixNy,從而避免SixNy層對GaN生長質量的影響；另外，Al2O3層有利於緩解Si與GaN間巨大的熱應力失配(114%)，同時防止Si擴散到GaN中。2、本發明結合脈衝雷射沉積生長法和分子束外延生長法，在低溫生長條件下製備Si襯底LED外延片，通過降低生長溫度，有效抑制了傳統金屬有機化學氣相沉積工藝(MOCVD)生長氮化物的高溫條件(一般都在1000°C以上)對襯底與GaN的晶格失配度和熱膨脹係數失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低。3、本發明採用脈衝雷射沉積生長法與分子束外延生長法相結合進行多層高質量氮化物薄膜的外延生長，避免採用NH3作為氮源，從而很好地解決了 GaN材料分解溫度與反應活性之間的矛盾。4、本發明採用的脈衝雷射沉積生長法，由於產生的前驅物具有很高的動能，可有效縮短氮化物的形核時間，保證所獲得的GaN薄膜的單一性。5、使用Si作為襯底,生長工藝成熟,價格便宜,散熱好,有利於降低生產成本。綜上所述，本發明的生長在Si襯底上的LED外延片具有優異的電學、光學性質，晶體質量高，缺陷密度低。
圖1為 本發明的生長在Si襯底上的LED外延片的示意 圖2為本發明的生Si襯底上的U-GaN緩衝層的X射線面掃描圖譜；
圖3為本發明的生長在Si襯底上的LED外延片的PL譜測試 圖4為本發明的生長在Si襯底上的LED外延片的EL譜測試圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例子對本發明作進一步詳細說明。
實施例1
請參照圖1，本發明一種生長在Si襯底上的LED外延片，其包括Si襯底層11、生長在Si襯底層11上的Al2O3保護層12，在Al2O3保護層12上依次生長出U-GaN緩衝層13、n_GaN層 14、InGaN/GaN 量子阱層 15 及 p_GaN 層 16。優選方案中，所述Al2O3保護層12的厚度為3 - 5nm。優選方案中，所述U-GaN緩衝層13包括低溫U-GaN緩衝層和高溫U-GaN緩衝層，低溫U-GaN緩衝層是在Si襯底溫度為600 — 700°C的條件下生長的，高溫U-GaN緩衝層是在Si襯底溫度為750 - 850°C的條件下生長的。上述生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法如下
採用Si襯底，選擇Si (111)晶面生長Al2O3保護層，接著依次生長出U-GaN緩衝層、n-GaN層、InGaN/GaN量子講層及p_GaN層，具體是(I)選取Si襯底，在Si (111)面上鍍上一層厚度為3 — 5nm的Al層，在Si襯底溫度為800 — 900°C時通入氧等離子體至形成Al2O3保護層,保溫30min。(2)採用脈衝雷射沉積生長法U-GaN緩衝層，具體是用靶材Ga和工作壓力為1.5-2.0X10-6Torr的N2射頻等離子體自由基發生器在Al2O3保護層上反應生成低溫U-GaN緩衝層，工藝條件為Si襯底溫度為600 — 700°C、反應室壓力為3 — 4X 10 —ltWTorr、V / III比為 30 - 40、生長速度為 0. 8 —1.1 ML/s ；
接著用靶材Ga和工作壓力為1. 5 - 2. OX KT6Torr的N2射頻等離子體自由基發生器在低溫U-GaN緩衝層上反應生成高溫U-GaN緩衝層，工藝條件為在Si襯底溫度為750 —850°C、反應室壓力為 3 — 4X10 —1QmTorr、V / III比為 30 — 40、生長速度為 0. 8 —1.1 ML/
So(3)採用分子束外延生長法在Si襯底溫度為450 — 550°C、反應室壓力為3 —4X10 —icWTorr、V /III比為30 — 60、生長速度為0. 4 - 0. 8ML/s的條件下生長n_GaN層。(4)採用分子束外延生長法在襯底溫度為500 - 7500C，反應室壓力為3 — 4X 10一10mTorr, V / III比為30 — 60、生長速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長InGaN/GaN量子阱層。(5)採用分子束外延生長法在襯底溫度450 - 550°C，反應室壓力為3 — 4X10 一10mTorr, V / III比為30 — 60、生長速度為0. 4 - 0. 8ML/s的條件下生長p_GaN層。
實施例2 本實施例是在實施例1的基礎上進行改進的，不同之處在於在Al2O3保護層生長之前，先對Si襯底依次進行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟，具體過程如下
表面拋光處理將Si襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，用光學顯微鏡觀察襯底表面沒有劃痕後，再採用現有技術的化學機械拋光方法對襯底進行拋光處理。清洗將裝有Si襯底的卡槽放入洗淨的方樽中，加入去離子水和已配好的丙酮直至溶液完全浸沒Si襯底，超聲5 - 10分鐘；將方樽放入超聲槽內，加入去離子水直至水的液面略低於方樽，進行超聲清洗5 - 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲後的方樽取出，用去離子水清洗2 - 3遍，直至將丙酮洗淨；向方樽裡注入異丙酮溶液，超聲5 — 10分鐘；將方樽放入超聲槽內，加入異丙酮直至溶液的液面略低於方樽，進行超聲清洗5 — 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲後的方樽取出，用異丙酮溶液清洗2 — 3遍；向方樽裡加入去離子水，直至浸沒Si襯底，再將其放入超聲槽內清洗5 - 10分鐘；取出方樽，再取出方樽裡的卡槽，向方樽裡注入氫氟酸和水直至其液面高度略小於或等於Si襯底的直徑；用聚四氟乙烯的夾子將Si襯底立於方樽內，將Si襯底從氫氟酸溶液中取出，放入去離子水中浸泡I 一 2分鐘；配製濃硫酸雙氧水=4:1的溶液於方樽中，加入等量的去離子水，將Si襯底從氫氟酸中取出並放入硫酸雙氧水中5 — 7分鐘；再次將Si襯底放入氫氟酸中I 一 2分鐘，電子級氫氟酸水=1:10 ;用去離子水衝洗，氮氣吹乾，放入氮氣櫃。
退火將襯底放在壓強為2X 10 —ltlTorr的超高真空的生長室內，在900 — 1000°C下高溫烘烤3 — 5 h以除去襯底表面的汙染物，然後空冷至室溫。通過退火處理，使得S i襯底獲得原子級平整的表面。請參照圖2，從X射線面掃描圖譜中可以看到，U-GaN緩衝層在使用Al2O3保護層作為保護的條件下在Si襯底外延生長，外延關係為GaN(0002)// Al2O3 (0006)//Si (111)。請參照圖3，為本發明製備的生長在Si襯底上的LED外延片的在溫度為室溫下PL譜測試圖。由圖可知，溫度為293K下PL譜測試得到發光峰波長為450nm，半峰寬為22 nm。表明本發明製備的LED外延片在光學性質上具有非常好的性能。請參照圖4，為本發明製備的生長在Si襯底上的LED外延片的在溫度為室溫下EL譜測試圖。由圖可知，溫度為293K下EL譜測試得到發光峰波長為452nm，半峰寬為20 nm,輸出功率為4. 5mwi20mA,光照度為0.5 Im0表明本發明製備的LED外延片在電學性質上具有非常好的性能。
上述實施例僅為本發明的優選實施方式，不能以此來限定本發明的保護範圍，本領域的技術人員在本發明的基礎上所做的任何非實質性的變化及替換均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種生長在Si襯底上的LED外延片，其特徵在於包括Si襯底層、生長在Si襯底層上的Al2O3保護層，在Al2O3保護層上依次生長出U-GaN緩衝層、n_GaN層、InGaN/GaN量子講層及P-GaN層。
2.如權利要求1所述的生長在Si襯底上的LED外延片，其特徵在於所述Al2O3保護層的厚度為3 — 5nm。
3.如權利要求1所述的生長在Si襯底上的LED外延片，其特徵在於所述U-GaN緩衝層包括低溫U-GaN緩衝層和高溫U-GaN緩衝層，低溫U-GaN緩衝層是在Si襯底溫度為600 - 7000C的條件下生長的，高溫U-GaN緩衝層是在Si襯底溫度為750 — 850°C的條件下生長的。
4.一種生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，其特徵在於採用Si襯底，選擇Si(Ill)晶面生長Al2O3保護層，接著依次生長出U-GaN緩衝層、n-GaN層、InGaN/GaN量子講層及P-GaN層。
5.如權利要求4所述的生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，其特徵在於，採用分子束外延生長法Al2O3保護層，具體是在Si (111)晶面上鍍上一層厚度為3 - 5nm的Al層，在Si襯底溫度為800 - 900°C時通入氧等離子體至形成Al2O3保護層，保溫。
6.如權利要求4所述的生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，其特徵在於，採用脈衝雷射沉積生長法U-GaN緩衝層，具體是採用脈衝雷射沉積生長法先在Si襯底溫度為600 - 700°C、反應室壓力為3 - 4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 40、生長速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長低溫U-GaN緩衝層；接著採用脈衝雷射沉積生長法在Si襯底溫度為750 - 850°C、反應室壓力為3 - 4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 40、生長速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長高溫U-GaN緩衝層。
7.如權利要求4所述的生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，其特徵在於，採用分子束外延生長法在Si襯底溫度為450 - 550°C、反應室壓力為3 — 4X 10 —lclmTorr、V /III比為30 - 60、生長速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長n_GaN層。
8.如權利要求4所述的生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，其特徵在於，採用分子束外延生長法在襯底溫度為500 - 750°C，反應室壓力為3 - 4X10 —icWTorr、V /III比為30 - 60、生長速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長InGaN/GaN量子阱層。
9.如權利要求4所述的生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，其特徵在於，採用分子束外延生長法在襯底溫度450 - 550°C，反應室壓力為3 - 4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 60、生長速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長p_GaN層。
10.如權利要求4所述的生長在Si襯底上的LED外延片的製備方法，其特徵在於在Al2O3保護層生長之前，先對Si襯底依次進行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。
全文摘要
本發明公開了一種生長在Si襯底上的LED外延片，其特徵在於包括Si襯底層、生長在Si襯底層上的Al2O3保護層，在Al2O3保護層上依次生長出u-GaN緩衝層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p-GaN層。本發明還公開了上述LED外延片的製備方法。與現有技術相比，本發明的生長在Si襯底上的LED外延片具有優異的電學、光學性質，晶體質量高，缺陷密度低的優點。
文檔編號C30B25/02GK103035794SQ20121053491
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司