專利名稱：一種生長在Si襯底上的LED外延片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種LED外延片，具體涉及一種生長在Si襯底上的LED外延片。
背景技術(shù)：
GaN半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的光電性能，自1.Akasaki首次成功獲得ρ-GaN，實現(xiàn)藍(lán)光LED的新突破后，GaN基化合物半導(dǎo)體一直備受關(guān)注，在室內(nèi)照明、商業(yè)照明、工程照明等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高質(zhì)量GaN材料一般都通過異質(zhì)外延方法制作。襯底的選擇對外延生長GaN材料的質(zhì)量影響很大，一般需要遵循晶格常數(shù)匹配、熱膨脹系數(shù)匹配、價格適宜等原則。此外，不同襯底材料對GaN基LED器件的制備工藝也有非常重要的影響。譬如由于GaN晶體存在著自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，不同的襯底會使所獲得的材料表現(xiàn)出不同的極化特性。此外，由于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(chǎn)生較大的差別。由此可見，GaN基LED襯底材料的選擇至關(guān)重要。作為常用于生長GaN的襯底，藍(lán)寶石、SiC、Si目前都已實現(xiàn)器件級LED的制備，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(lán)寶石有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，但它與GaN間存在很大的晶格失配(16%)及熱應(yīng)力失配(25%)，造成生長的GaN外延層質(zhì)量較差。同時它導(dǎo)熱性能差，這也嚴(yán)重制約著藍(lán)寶石襯底大功率LED的發(fā)展。SiC雖然與GaN的晶格失配度僅3.5%，導(dǎo)熱率較高，但它的熱應(yīng)力失配與藍(lán)寶石相當(dāng)(25.6%)，與GaN的潤濕性較差，價格昂貴，并且制造技術(shù)已被美國Cree壟斷，因此也無法普遍使用。Si正是基于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(yīng)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(zhì)量Si襯底，降低LED器件的成本。其次，Si具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，可方便制成散熱良好的垂直結(jié)構(gòu)器件。再次，Si的微電子技術(shù)十分成熟。因此Si襯底上生長GaN薄膜有望實現(xiàn)光電子和微電子的集成。目前，國內(nèi)外研究人員不斷對Si襯底上生長GaN的外延技術(shù)進(jìn)行研究，并有報道成功制備出LED。然而，雖然Si具有許多的優(yōu)越性，但在Si襯底上制備的GaN單晶薄膜質(zhì)量不如藍(lán)寶石襯底，想實現(xiàn)器件級Si基LED的制備還面臨許多難題。首先，Si與GaN的晶格失配度仍然很大(約16%)，與藍(lán)寶石相當(dāng)，在Si上生長的GaN外延層中的缺陷并沒有數(shù)量級的減少。其次，Si的熱膨脹系數(shù)為2.61Χ10_6/Κ，與GaN熱失配高達(dá)114%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于藍(lán)寶石(約-25.5%)，這樣會導(dǎo)致在外延層中產(chǎn)生巨大的張應(yīng)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，由于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(yán)重影響了所獲得GaN基LED器件的質(zhì)量。由此可見，即便Si襯底具有成本低、散熱好，且方便制成垂直器件等優(yōu)點，具有非常良好的發(fā)展前景，但要使Si襯底GaN基LED能夠真正實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，需要提高Si襯底上生長的LED外延片的質(zhì)量，通過結(jié)構(gòu)或者工藝的改進(jìn)來提高LED外延片的光學(xué)和電學(xué)性倉泛。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的生長在Si襯底上的LED外延片。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)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(hù)層，依次生長在Al2O3保護(hù)層上的U-GaN緩沖層、n_GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p_GaN層。本實用新型先在Si襯底層上生長Al2O3保護(hù)層，之后再生長GaN薄膜層，Al2O3保護(hù)層能夠有效防止Si襯底的界面處與活性N反應(yīng)形成無定形的SixNy,從而避免了 SixNy層對GaN生長質(zhì)量的影響，獲得高質(zhì)量的GaN薄膜。另外，Al2O3保護(hù)層能夠緩解Si襯底與GaN間巨大的熱應(yīng)力失配(I 14%)，同時防止Si擴散到GaN中。優(yōu)選地，所述Al2O3保護(hù)層的厚度為3 — 5nm。優(yōu)選地，所述U-GaN緩沖層的厚度為300 — 450nm。優(yōu)選地，所述n-GaN層的厚度為2.5 — 3.5 μ m。優(yōu)選地，所述P-GaN層的厚度為300 — 400nm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:本實用新型使用Si作為襯底，在Si襯底上先生長一層Al2O3保護(hù)層，可有效防止Si在界面處與活性N反應(yīng)形成無定形的SixNy,從而避免SixNy層對GaN生長質(zhì)量的影響；另夕卜，Al2O3層有利于緩解Si與GaN間巨大的熱應(yīng)力失配(114%)，同時防止Si擴散到GaN中，提高了 LED外延片的光學(xué)和電學(xué)性能。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例子對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。請參照圖1，本實用新型的生長在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(hù)層12，在Al2O3保護(hù)層12上依次生長出U-GaN緩沖層13、n-GaN 層 14、InGaN/GaN 量子阱層 15 及 ρ-GaN 層 16。優(yōu)選方案中，所述Al2O3保護(hù)層12的厚度為3 - 5nm,所述U-GaN緩沖層13的厚度為300 - 450nm,所述η-GaN層14的厚度為2.5 — 3.5 μ m，所述ρ-GaN層16的厚度為300 — 400nmo在本實用新型中，U-GaN緩沖層13能夠為后續(xù)生長n_GaN層14提供良好的模板。本實用新型的制作方法如下:采用Si襯底，采用分子束外延生長法在Si襯底上生長Al2O3保護(hù)層，接著采用脈沖激光沉積生長法依次生長出U-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及ρ-GaN層。上述實施例僅為本實用新型的優(yōu)選實施方式，不能以此來限定本實用新型的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型的基礎(chǔ)上所做的任何非實質(zhì)性的變化及替換均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種生長在Si襯底上的LED外延片，其特征在于:包括Si襯底層、生長在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層，依次生長在Al2O3保護(hù)層上的U-GaN緩沖層、n_GaN層、InGaN/GaN量子講層及P-GaN層。
2.如權(quán)利要求1所述的生長在Si襯底上的LED外延片，其特征在于:所述Al2O3保護(hù)層的厚度為3 — 5nm。
3.如權(quán)利要求1所述的生長在Si襯底上的LED外延片，其特征在于:所述U-GaN緩沖層的厚度為300 - 450nm。
4.如權(quán)利要求1所述的生長在Si襯底上的LED外延片，其特征在于:所述P-GaN層的厚度為 300 - 400nm。
專利摘要本實用新型公開了一種生長在Si襯底上的LED外延片，其特征在于包括Si襯底層、生長在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層，在Al2O3保護(hù)層上依次生長出u-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p-GaN層。本實用新型的LED外延片具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。
文檔編號H01L33/12GK202996885SQ20122068608
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司