本发明专利技术公开了一种生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于：包括Si衬底层、生长在Si衬底层上的Al2O3保护层，在Al2O3保护层上依次生长出u-GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p-GaN层。本发明专利技术还公开了上述LED外延片的制备方法。与现有技术相比，本发明专利技术的生长在Si衬底上的LED外延片具有优异的电学、光学性质，晶体质量高，缺陷密度低的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种LED外延片，具体涉及。
技术介绍
GaN半导体材料具有优异的光电性能，自1. Akasaki首次成功获得p_GaN,实现蓝光LED的新突破后，GaN基化合物半导体一直备受关注，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。衬底的选择对外延生长GaN材料的质量影响很大，一般需要遵循晶格常数匹配、热膨胀系数匹配、价格适宜等原则。此外，不同衬底材料对GaN基LED器件的制备工艺也有非常重要的影响。譬如由于GaN晶体存在着自发极化和压电极化效应，不同的衬底会使所获得的材料表现出不同的极化特性。此外，由于不同材料价格差异较大，衬底材料的不同还会使LED的成本产生较大的差别。由此可见，GaN基LED衬底材料的选择至关重要。作为常用于生长GaN的衬底，蓝宝石、SiC、Si目前都已实现器件级LED的制备，但各自衬底材料所带来的外延层生长问题，还需要不断攻克。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%)及热应力失配(25%)，造成生长的GaN外延层质量较差。同时它导热性能差，这也严重制约着蓝宝石衬底大功率LED的发展。SiC虽然与GaN的晶格失配度仅3. 5%， 导热率较高，但它的热应力失配与蓝宝石相当(25. 6%)，与GaN的润湿性较差，价格昂贵，并且制造技术已被美国Cree垄断，因此也无法普遍使用。Si正是基于上述原因而被人们用以替代上述两种衬底的新型衬底，具有广阔的应用前景。首先，Si单晶体成熟的生长工艺使得可用较低成本获得大面积高质量Si衬底，降低LED器件的成本。其次，Si具有良好的导热、导电性能，可方便制成散热良好的垂直结构器件。再次，Si的微电子技术十分成熟。因此Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。目前，国内外研究人员不断对Si衬底上生长GaN的外延技术进行研究，并有报道成功制备出LED。然而，虽然Si具有许多的优越性，但在Si衬底上制备的GaN单晶薄膜质量不如蓝宝石衬底，想实现器件级Si基LED的制备还面临许多难题。首先，Si与GaN的晶格失配度仍然很大(约16%)，与蓝宝石相当，在Si上生长的GaN外延层中的缺陷并没有数量级的减少。其次，Si的热膨胀系数为2.61X10_6/K，与GaN热失配高达114%，远远高于蓝宝石(约-25. 5%)，这样会导致在外延层中产生巨大的张应力，从而更容易引起外延层的龟裂。再次，在Si衬底上外延生长GaN时会通入N2气，由于S1-N的键能很大，Si衬底遇活性N易在界面处形成无定形的SixNy层，这严重影响了所获得GaN基LED器件的质量。由此可见，即便Si衬底具有成本低、散热好，且方便制成垂直器件等优点，具有非常良好的发展前景，但要使Si衬底GaN基LED能够真正实现大规模应用，需要提高Si衬底上生长的LED外延片的质量，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
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有优异的电学和光学性质的生长在Si衬底上的LED外延片。本专利技术的另一目的在于提供上述生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案 一种生长在Si衬底上的LED外延片，其包括Si衬底层、生长在Si衬底层上的Al2O3保护层，在Al2O3保护层上依次生长出U-GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p_GaN层。本专利技术先在Si衬底层上生长Al2O3保护层，之后再生长GaN薄膜层，Al2O3保护层能够有效防止Si衬底的界面处与活性N反应形成无定形的SixNy,从而避免了 SixNy层对GaN生长质量的影响，获得高质量的GaN薄膜。另外，Al2O3保护层能够缓解Si衬底与GaN间巨大的热应力失配(114%)，同时防止Si扩散到GaN中。优选地，所述Al2O3保护层的厚度为3 — 5nm。优选地，所述U-GaN缓冲层包括低温U-GaN缓冲层和高温U-GaN缓冲层，低温U-GaN缓冲层是在Si衬底温度为600 — 700°C的条件下生长的，高温U-GaN缓冲层是在Si衬底温度为750 - 850°C的条件下`生长的。一种生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，采用Si衬底，选择Si (111)晶面生长Al2O3保护层，接着依次生长出U-GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p_GaN层。优选地，采用分子束外延生长法Al2O3保护层，具体是在Si(Ill)面上镀上一层厚度为3 - 5nm的Al层，在Si衬底温度为800 — 900°C时通入氧等离子体至形成Al2O3保护层J保温。优选地，采用脉冲激光沉积生长法U-GaN缓冲层，具体是采用脉冲激光沉积生长法先在Si衬底温度为600 - 700°C、反应室压力为3 - 4X10 —icWTorr、V /III比为30 —40、生长速度为0. 8 —1.1 ML/s的条件下生长低温U-GaN缓冲层；接着采用脉冲激光沉积生长法在Si衬底温度为750 - 850°C、反应室压力为3 — 4X 10 —lclmTorr、V /III比为30 —40、生长速度为0. 8 —1.1 ML/s的条件下生长高温U-GaN缓冲层。优选地，采用分子束外延生长法在Si衬底温度为450 - 550°C、反应室压力为3 —4X10 —1VTorr、V /III比为30 — 60、生长速度为0.4 — 0. 8ML/s的条件下生长n_GaN层。优选地，采用分子束外延生长法在衬底温度为500 - 750°C，反应室压力为3 —4X10 —1VTorr、V /III比为 30 — 60、生长速度为 0. 4 - 0. 8ML/s 的条件下生长 InGaN/GaN量子阱层。优选地，采用分子束外延生长法在衬底温度450 - 550°C，反应室压力为3 —4X10 —1VTorr、V /III比为30 — 60、生长速度为0.4 — 0. 8ML/s的条件下生长p_GaN层。优选地，在Al2O3保护层生长之前，先对Si衬底依次进行表面抛光、清洗、退火的前处理步骤。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是1、本专利技术使用Si作为衬底，在Si (111)上先生长一层Al2O3保护层，可有效防止Si在界面处与活性N反应形成无定形的SixNy,从而避免SixNy层对GaN生长质量的影响；另外，Al2O3层有利于缓解Si与GaN间巨大的热应力失配(114%)，同时防止Si扩散到GaN中。2、本专利技术结合脉冲激光沉积生长法和分子束外延生长法，在低温生长条件下制备Si衬底LED外延片，通过降低生长温度，有效抑制了传统金属有机化学气相沉积工艺(MOCVD)生长氮化物的高温条件(一般都在1000°C以上)对衬底与GaN的晶格失配度和热膨胀系数失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低。3、本专利技术采用脉冲激光沉积生长法与分子束外延生长法相结合进行多层高质量氮化物薄膜的外延生长，避免采用NH3作为氮源，从而很好地解决了 GaN材料分解温度与反应活性之间的矛盾。4、本专利技术采用的脉冲激光沉积生长法，由于产生的前驱物具有很高的动能，可有效缩短氮化物的形核时间，保证所获得的GaN薄膜的单一性。5本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于：包括Si衬底层、生长在Si衬底层上的Al2O3保护层，在Al2O3保护层上依次生长出u?GaN缓冲层、n?GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p?GaN层。
【技术特征摘要】
1.一种生长在Si衬底上的LED外延片，其特征在于包括Si衬底层、生长在Si衬底层上的Al2O3保护层，在Al2O3保护层上依次生长出U-GaN缓冲层、n_GaN层、InGaN/GaN量子讲层及P-GaN层。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Al2O3保护层的厚度为3 — 5nm。3.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U-GaN缓冲层包括低温U-GaN缓冲层和高温U-GaN缓冲层，低温U-GaN缓冲层是在Si衬底温度为600 - 7000C的条件下生长的，高温U-GaN缓冲层是在Si衬底温度为750 — 850°C的条件下生长的。4.一种生长在Si衬底上的LED外延片的制备方法，其特征在于采用Si衬底，选择Si(Ill)晶面生长Al2O3保护层，接着依次生长出U-GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN量子讲层及P-GaN层。5.如权利要求4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，采用分子束外延生长法Al2O3保护层，具体是在Si (111)晶面上镀上一层厚度为3 - 5nm的Al层，在Si衬底温度为800 - 900°C时通入氧等离子体至形成Al2O3保护层，保温。6.如权利要求4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，采用脉冲激光沉积生长法U-GaN缓冲层，具体是采用脉冲激光沉积生长法先在Si衬底温度为600 - 700°C、反应室压力为3 - 4X10 —1VTorr、V /III...
【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：
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