一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片及其制备方法，该紫外LED外延片包括Si衬底、自下而上依次设置在Si衬底上的GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型AlxGa1‑xN层、n型GaN层、InxGa1‑xN/GaN超晶格层、InyGa1‑yN/GaN量子阱层、EBL层、p型AlyGa1‑yN层、p型GaN层；所述InxGa1‑xN/GaN超晶格层中，x＝0.20‑0.06，成分渐变；所述InyGa1‑yN/GaN量子阱层，y＝0.02‑0.08；所述n型AlxGa1‑xN层与p型AlyGa1‑yN层，x＝y＝0.10‑0.30。该GaN基紫外LED外延片有效缓解高质量紫外LED生长困难、工作过程热积累的问题，可实现高光效高性能紫外LED外延片生长制备。

A GaN-based Ultraviolet LED Epitaxy Wafer on Si Substrate and Its Preparation Method

The invention discloses a GaN-based ultraviolet LED epitaxy sheet on Si substrate and its preparation method. The ultraviolet LED epitaxy sheet includes Si substrate, GaN buffer layer arranged on Si substrate from bottom to top, unintentionally doped GaN layer, n-type AlxGa1 xN layer, n-type GaN layer, InxGa1 xN/GaN superlattice layer, InyGa1 yN/GaN quantum well layer, EBL layer, p-type AlyGa1 GaN layer and p-type GaN layer. In the xN/GaN superlattice layer, x = 0.20 0.06, composition gradient; the InyGa1 yN/GaN quantum well layer, y = 0.02 0.08; the n-type AlxGa1 xN layer and the p-type AlyGa1 yN layer, x = y = 0.10 0.30. The GaN-based ultraviolet LED epitaxial wafer can effectively alleviate the difficulties of high quality ultraviolet LED growth and heat accumulation in the working process, and can realize the growth and preparation of high-efficiency and high-performance ultraviolet LED epitaxial wafer.

【技术实现步骤摘要】
一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片及其制备方法
本专利技术涉及一种紫外LED技术，尤其涉及一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片及其制备方法。
技术介绍
以GaN为代表的III族氮化物由于其优异的材料性质，在最近的几十年间在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光探测器等光电器件中得到了普遍的应用，产业化趋于成熟，是目前最受关注的第三代半导体材料体系。目前的GaN基光电器件尤其是GaNLED实现产业化发光波段仍然主要集中在可见光波段，这严重限制了GaNLED的发展应用。紫外波段是GaNLED发展过程中一个至关重要的一环，紫外GaNLED可将LED的应用领域由基础照明提升至污水消毒、光波通信等拳头领域，可极大推动GaN基第三代半导体材料尽快实现真正意义上的光电集成。目前，紫外LED大多数基于AlGaN材料制备而成，然而由于Al原子迁移势垒高，导致生长AlGaN材料需要高温、生长过程中组分控制困难、AlGaN基量子阱质量不佳、掺杂困难等种种原因，难以实现高光效紫外LED制备。除此之外，由于紫外波段光波能量较可见光波段高，制备的紫外LED同样存在由于工作过程中发热严重导致制得紫外LED器件性能稳定性与可靠性不佳，难以实现大规模应用的难题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片。采用高导热Si衬底提高器件散热并便于器件后续集成加工。本专利技术的目的之二在于提供一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片的制备方法。该制备方法使用GaN材料作为器件结构主体，使用低In组分InGaN/GaN取代AlGaN/AlGaN量子阱结构的具有高度可重复性的紫外LED。本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片，包括Si衬底、自下而上依次设置在Si衬底上的GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型AlxGa1-xN层、n型GaN层、InxGa1-xN/GaN超晶格层、InyGa1-yN/GaN量子阱层、EBL层、p型AlyGa1-yN层、p型GaN层；所述InxGa1-xN/GaN超晶格层中，x＝0.20-0.06，成分渐变；所述InyGa1-yN/GaN量子阱层，y＝0.02-0.08；所述n型AlxGa1-xN层与p型AlyGa1-yN层，x＝y＝0.10-0.30。进一步地，所述非故意掺杂GaN层的厚度为0.9-1.5μm。进一步地，所述的n型GaN层厚度为0.3-0.9μm，掺杂物质为Si，掺杂浓度为5-9×1019cm-2。进一步地，所述的n型AlxGa1-xN层厚度为2.0-2.2μm，掺杂物质为Si，掺杂浓度为5-9×1019cm-2。进一步地，所述InxGa1-xN/GaN超晶格层中，InxGa1-xN层和GaN层厚度相等均为3-8nm，其中，InxGa1-xN/GaN超晶格层周期数为6-9。进一步地，所述InyGa1-yN/GaN量子阱层中，InyGa1-yN层厚度为2-5nm，GaN层厚度为10-15nm，其中InyGa1-yN/GaN量子阱层周期数为8，前6个周期GaN层为n型掺杂，掺杂源为Si，掺杂浓度为2-9×1017cm-2，最后2个周期的GaN层为非故意掺杂。进一步地，所述EBL层为AlxInyGa(1-x-y)N层，厚度为20-60nm，其中x＝0.1-0.25,y＝0.03-0.1。进一步地，所述p型AlyGa1-yN层包括MgIn合金以及p-AlyGa1-yN层，MgIn合金厚度为2-8nm，p-AlyGa1-yN层厚度为80-150nm，掺杂物质为Mg，掺杂浓度为1-6×1019cm-2；所述p型GaN层厚度为20-50nm，掺杂物质为Mg,掺杂浓度为1-6×1019-8×1021cm-2。本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片的制备方法，依次包括：制备Si衬底上的GaN缓冲层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法在Si衬底上依次沉积AlN层、AlGaN层作为GaN缓冲层；制备非故意掺杂GaN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法在GaN缓冲层上，通入三甲基镓作为Ga源，在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；制备n型AlxGa1-xN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，以SiH4作为掺杂源，通入三甲基铝和三甲基镓分别作为Al源和Ga源，在非故意掺杂GaN层上生长n型AlGaN层；x＝0.10-0.30；制备n型GaN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，以SiH4作为掺杂源，通入三甲基镓作为Ga源，在n型AlGaN层上生长n型GaN层；制备InxGa1-xN/GaN超晶格层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，通入三乙基镓作为Ga源、三甲基铟作为In源，生长InGaN超晶格层，随后通入三乙基镓作为Ga源，生长GaN超晶格层，重复生长6-9次，x＝0.20-0.06；；制备InyGa1-yN/GaN量子阱层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，通入三乙基镓作为Ga源，在InxGa1-xN/GaN超晶格层上生长GaN垒层，随后通入三甲基铟源作为In源，三乙基镓作为Ga源，在GaN阱层上生长InyGa1-yN阱层，以此为量子阱层的一单位周期，整个量子阱层由8个单位周期构成，完成生长后，用GaN垒层生长原工艺在最后一个周期的InyGa1-yN层上再次生长一层GaN垒层；其中，InyGa1-yN/GaN量子阱的前6个周期GaN垒层为n型掺杂，掺杂源为Si，最后两个周期的GaN垒层为非故意掺杂GaN层；y＝0.02-0.08；制备EBL层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，通入三甲基镓作为Ga源、三甲基铟作为In源、三甲基铝作为Al源，生长AlxInyGa(1-x-y)NEBL层；其中，x＝0.01-0.25，y＝0.03-0.1；制备p型AlyGa1-yN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，预先通入三甲基铟作为In源，二茂镁作为Mg源，在EBL层上生长MgIn合金层，随后切断In源，通入三甲基镓作为Ga源、三甲基铝作为Al源，在MgIn合金层上连续生长p-AlyGa1-yN层；y＝0.10-0.30；制备p型GaN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，通入三甲基镓作为Ga源、二茂镁作为Mg源，生长p型GaN层；退火步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，切断所有金属有机物源供应，在纯N2气氛下对整个紫外LED外延结构进行退火。进一步地，所述的制备方法，依次包括：在制备Si衬底上的GaN缓冲层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法在Si衬底上依次沉积AlN层、AlGaN层作为GaN缓冲层；制备非故意掺杂GaN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法在GaN缓冲层上，5×10-7-8×10-10Pa背底真空度、腔体温度为800-880℃，反应室压力为150-200Torr条件下，通入三甲基镓作为Ga源，在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层，厚度为0.9-1.5um；制备n型AlxGa1-xN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，将反应强温度升至920-1080℃，反应室压力150-220Torr条件下，以SiH4作为掺杂源，通入三甲基铝和三甲基镓分别作为A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，包括Si衬底、自下而上依次设置在Si衬底上的GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型AlxGa1‑xN层、n型GaN层、InxGa1‑xN/GaN超晶格层、InyGa1‑yN/GaN量子阱层、EBL层、p型AlyGa1‑yN层、p型GaN层；所述InxGa1‑xN/GaN超晶格层中，x＝0.20‑0.06，成分渐变；所述InyGa1‑yN/GaN量子阱层，y＝0.02‑0.08；所述n型AlxGa1‑xN层与p型AlyGa1‑yN层，x＝y＝0.10‑0.30。

【技术特征摘要】
1.一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，包括Si衬底、自下而上依次设置在Si衬底上的GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型AlxGa1-xN层、n型GaN层、InxGa1-xN/GaN超晶格层、InyGa1-yN/GaN量子阱层、EBL层、p型AlyGa1-yN层、p型GaN层；所述InxGa1-xN/GaN超晶格层中，x＝0.20-0.06，成分渐变；所述InyGa1-yN/GaN量子阱层，y＝0.02-0.08；所述n型AlxGa1-xN层与p型AlyGa1-yN层，x＝y＝0.10-0.30。2.如权利要求1所述的Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述非故意掺杂GaN层的厚度为0.9-1.5μm。3.如权利要求1所述的Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述的n型GaN层厚度为0.3-0.9μm，掺杂物质为Si，掺杂浓度为5-9×1019cm-2。4.如权利要求1所述的Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述的n型AlxGa1-xN层厚度为2.0-2.2μm，掺杂物质为Si，掺杂浓度为5-9×1019cm-2。5.如权利要求1所述的Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述InxGa1-xN/GaN超晶格层中，InxGa1-xN层和GaN层厚度相等均为3-8nm，其中，InxGa1-xN/GaN超晶格层周期数为6-9。6.如权利要求1所述的Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述InyGa1-yN/GaN量子阱层中，InyGa1-yN层厚度为2-5nm，GaN层厚度为10-15nm，其中InyGa1-yN/GaN量子阱层周期数为8，前6个周期GaN层为n型掺杂，掺杂源为Si，掺杂浓度为2-9×1017cm-2，最后2个周期的GaN层为非故意掺杂。7.如权利要求1所述的Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述EBL层为AlxInyGa(1-x-y)N层，厚度为20-60nm，其中x＝0.1-0.25,y＝0.03-0.1。8.如权利要求1所述的Si衬底上GaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述p型AlyGa1-yN层包括MgIn合金以及p-AlyGa1-yN层，MgIn合金厚度为2-8nm，p-AlyGa1-yN层厚度为80-150nm，掺杂物质为Mg，掺杂浓度为1-6×1019cm-2；所述p型GaN层厚度为20-50nm，掺杂物质为Mg,掺杂浓度为1-6×1019-8×1021cm-2。9.一种Si衬底上GaN基紫外LED外延片的制备方法，其特征在于，依次包括：制备Si衬底上的GaN缓冲层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法在Si衬底上依次沉积AlN层、AlGaN层作为GaN缓冲层；制备非故意掺杂GaN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法在GaN缓冲层上，通入三甲基镓作为Ga源，在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；制备n型AlxGa1-xN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，以SiH4作为掺杂源，通入三甲基铝和三甲基镓分别作为Al源和Ga源，在非故意掺杂GaN层上生长n型AlGaN层；x＝0.10-0.30；制备n型GaN层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，以SiH4作为掺杂源，通入三甲基镓作为Ga源，在n型AlGaN层上生长n型GaN层；制备InxGa1-xN/GaN超晶格层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，通入三乙基镓作为Ga源、三甲基铟作为In源，生长InGaN超晶格层，随后通入三乙基镓作为Ga源，生长GaN超晶格层，重复生长6-9次，x＝0.20-0.06；制备InyGa1-yN/GaN量子阱层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，通入三乙基镓作为Ga源，在InxGa1-xN/GaN超晶格层上生长GaN垒层，随后通入三甲基铟源作为In源，三乙基镓作为Ga源，在GaN阱层上生长InyGa1-yN阱层，以此为量子阱层的一单位周期，整个量子阱层由8个单位周期构成，完成生长后，用GaN垒层生长原工艺在最后一个周期的InyGa1-yN层上再次生长一层GaN垒层；其中，InyGa1-yN/GaN量子阱的前6个周期GaN垒层为n型掺杂，掺杂源为Si，最后两个周期的GaN垒层为非故意掺杂GaN层；y＝0.02-0.08；制备EBL层步骤：采用金属有机物化学气象沉积方法，通入三甲基镓作为Ga源、三甲基铟作为In源、三甲基铝作为Al源，生长AlxInyGa(1-x-y)NEBL层；其中，x＝0.01-0.25，y＝0.03-0.1；制备p型AlyGa1-yN...

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