生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法，其采用如下制备方法获得：采用Si衬底，选择Si衬底(111)面偏(100)方向0.5-1°的晶体取向，先生长出第一AlN缓冲层，再依次生长第二AlN缓冲层、AlGaN步进缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p-GaN层。本发明专利技术使用Si为衬底，同时结合金属有机化学气相沉积工艺和脉冲激光沉积工艺，避开采用金属有机化学气相沉积工艺生长AlN所需经过的预铺Al工序，防止高温下Si扩散至AlN缓冲层破坏表面形貌，获得的LED外延片性能好、晶体质量高，适合应用在LED器件中。

【技术实现步骤摘要】
生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法
本专利技术涉及LED外延片，特别涉及生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法。
技术介绍
LED是提倡节能减排的社会背景下的产物，其环保、节能、抗震性能好，在未来照明市场上前景广阔，被誉为第四代绿色照明光源。GaN作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率等优异性能，在微电子应用方面得到了广泛的关注。自I.Akasaki首次成功获得p-GaN，实现蓝光LED的新突破后，GaN基化合物一直是制备LED器件的主要材料，在室内照明、商业照明、工程照明等领域有着广泛的应用。高质量GaN材料一般都通过异质外延方法制作。作为常用于生长GaN的衬底，蓝宝石有稳定的物理化学性质，但它与GaN间存在很大的晶格失配(16％)及热失配(25％)，造成生长的GaN薄膜质量较差；SiC虽然与GaN的晶格失配度仅3.5％，导热率较高，但它的热失配与蓝宝石相当(25.6％)，与GaN的润湿性较差，价格昂贵，并且外延技术已被美国科锐公司垄断，因此也无法普遍使用。相比较下，Si衬底具有成本低、单晶尺寸大且质量高、导热率高、导电性能良好等诸多特点，并且Si的微电子技术十分成熟，在Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。正是因为Si衬底的上述诸多优点，Si衬底上生长GaN薄膜进而制备LED外延片越来越备受关注。但是，目前在Si衬底上制备GaN单晶薄膜的质量不如蓝宝石衬底，主要由于：Si与GaN热失配远远高于蓝宝石，导致外延片更易于龟裂；Si衬底遇活性N在界面处易形成无定形的SixNy，影响GaN的生长质量；Si对可见光的吸收作用也会大大降低LED发光效率。由此可见，即便Si衬底具有成本低、散热好等优点，具有非常良好的发展前景，但要在Si衬底上生长高质量GaN薄膜进而制备LED外延片，需要寻找Si衬底上生长LED外延片的新方法及工艺。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的之一在于提供一种生长在Si衬底上的LED外延片，具有性能好、晶体质量高的特点。本专利技术的目的之二在于提供上述LED外延片的制备方法，采用此方法获得的LED外延片具有性能好、晶体质量高的特点，适合应用在LED器件中。实现本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于：其包括Si衬底，生长在Si衬底上的第一AlN缓冲层，在第一AlN缓冲层上依次生长出第二AlN缓冲层、AlGaN步进缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p-GaN层；所述Si衬底的晶体取向为(111)晶面朝(100)方向偏0.5-1°，该斜切角可有效改善GaN外延薄膜的表面形貌、降低位错密度并提高GaN的晶体质量。优选地，所述第一AlN缓冲层的厚度为10-100nm；所述第二AlN缓冲层的厚度为10-50nm。优选地，所述AlGaN步进缓冲层包含三层，由下而上依次为：第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层；其中，第一AlGaN层的厚度为80-150nm；第二AlGaN层的厚度为100-200nm；第三AlGaN层的厚度为200-300nm；第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层中Al的掺杂量依次降低。一种生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，其特征在于：采用Si衬底，选取Si衬底的(111)晶面朝(100)方向偏0.5-1°的晶体取向,先生长出第一AlN缓冲层，再依次生长出第二AlN缓冲层、AlGaN步进缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p-GaN层。优选地，采用脉冲激光沉积工艺生长第一AlN缓冲层，工艺条件为：衬底温度为650-850℃，反应室压力为1-10mTorr，Ⅴ/Ⅲ比为30-50,生长速度为0.5-0.7ML/s。优选地，采用金属有机化学气相沉积工艺生长第二AlN缓冲层，工艺条件为：衬底温度为860-960℃，反应室压力为50-100Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1000-2500,生长速度为0.1-0.2μm/h。优选地，采用金属有机化学气相沉积工艺生长AlGaN步进缓冲层，工艺条件为：保持衬底为960-1060℃，反应室压力为50-100Torr，NH3流量为10-15slm，TMAl流量为200-250sccm条件下，通过改变TMGa流量和生长速率，由下而上依次获得：第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层；其中，第一AlGaN层的厚度为80-150nm；第二AlGaN层的厚度为100-200nm；第三AlGaN层的厚度为200-300nm；第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层中Al的掺杂量依次降低。优选地，改变TMGa流量及生长速率，具体做法如下：TMGa流量为5-10sccm，生长速率为0.2-0.3μm/h，生长出第一AlGaN层,Al的掺杂量为70-85％；TMGa流量为20-30sccm，生长速率为0.3-0.4μm/h，生长出第二AlGaN层,Al的掺杂量为50-65％；TMGa流量为65-75sccm，生长速率为0.5-0.7μm/h，生长出即第三AlGaN层,Al的掺杂量为20-35％。优选地，采用金属有机化学气相沉积工艺生长u-GaN层，工艺条件为：衬底温度为1000-1060℃，反应室压力为150-220Torr，Ⅴ/Ⅲ比为2500-3000,生长速度为3.0-3.5μm/h。优选地，采用金属有机化学气相沉积工艺生长n-GaN层，工艺条件为：衬底温度为1000-1100℃，反应室压力为150-220Torr，Ⅴ/Ⅲ比为2000-4000,生长速度为3.0-4.0μm/h。优选地，在生长AlN缓冲层之前，对Si衬底依次进行表面清洗、退火处理步骤，以去除Si衬底表面的氧化物及杂质颗粒。表面清洗的具体方法是：将Si衬底先放在丙酮溶液中超声清洗，然后再放在去离子水中超声清洗；接着在异丙酮溶液中超声清洗；然后在氢氟酸溶液中超声清洗，再在去离子水中浸泡；再将Si衬底放在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡；最后将Si衬底放入氢氟酸中浸泡，用去离子水冲洗，氮气吹干。退火处理的具体方法是：将Si衬底在900-1000℃下高温烘烤3-5h。优选地，第一AlN缓冲层的厚度为10-100nm；第二AlN缓冲层的厚度为10-50nm。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术采用脉冲激光沉积工艺预先生长第一AlN缓冲层，避开采用金属有机化学气相沉积工艺生长AlN所需经过的预铺Al工序，防止因预铺Al不均匀造成的AlN质量下降。该方法生长的AlN缓冲层表面平整，为下阶段的金属有机化学气相沉积提供良好生长模板。(2)本专利技术在预制的第一AlN缓冲层上，继续采用金属有机化学气相沉积工艺生长第二AlN缓冲层，达到工艺转换的平稳过渡。(3)本专利技术使用的三层AlGaN步进缓冲层，能够有效缓解因GaN与Si之间巨大的晶格失配及热失配引起的张应力，外延出无裂纹的GaN薄膜，减少漏电流，提高LED的电学性能。(4)本专利技术采用采脉冲激光沉积工艺金属有机化学气相沉积工艺与相结合，先低温生长AlN缓冲层，防止Si在高温下扩散至A本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于：其包括Si衬底，生长在Si衬底上的第一AlN缓冲层，在第一AlN缓冲层上依次生长出第二AlN缓冲层、AlGaN步进缓冲层、u‑GaN层、n‑GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p‑GaN层；所述Si衬底的晶体取向为(111)晶面朝(100)方向偏0.5‑1°。

【技术特征摘要】
1.生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于：其包括Si衬底，生长在Si衬底上的第一AlN缓冲层，在第一AlN缓冲层上依次生长出第二AlN缓冲层、AlGaN步进缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p-GaN层；所述Si衬底的晶体取向为(111)晶面朝(100)方向偏0.5-1°；其中，采用脉冲激光沉积工艺生长第一AlN缓冲层，工艺条件为：衬底温度为650-850℃，反应室压力为1-10mTorr，Ⅴ/Ⅲ比为30-50,生长速度为0.5-0.7ML/s；采用金属有机化学气相沉积工艺生长第二AlN缓冲层，工艺条件为：衬底温度为860-960℃，反应室压力为50-100Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1000-2500,生长速度为0.1-0.2μm/h。2.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于:所述AlGaN步进缓冲层包含三层，由下而上依次为：第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层；其中，第一AlGaN层的厚度为80-150nm；第二AlGaN层的厚度为100-200nm；第三AlGaN层的厚度为200-300nm；第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层中Al的掺杂量依次降低。3.一种生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，其特征在于：采用Si衬底，选取Si衬底的(111)晶面朝(100)方向偏0.5-1°的晶体取向,先生长出第一AlN缓冲层，再依次生长出第二AlN缓冲层、AlGaN步进缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p-GaN层；其中，采用脉冲激光沉积工艺生长第一AlN缓冲层，工艺条件为：衬底温度为650-850℃，反应室压力为1-10mTorr，Ⅴ/Ⅲ比为30-50,生长速度为0.5-0.7ML/s；采用金属有机化学气相沉积工艺生长第二AlN缓冲层，工艺条件为：衬底温度为860-960℃，反应室压力为50-100Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1000-2500,生长速度为0.1-0.2μm/h。4.根据权利要求3所述的生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，其特征在于：采用金属有机化学气相沉积工艺生长AlGaN步进缓冲层，工艺条件为：保持衬底为960-1060℃，反应室压力为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：广州市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44