本發(fā)明涉及LED外延片領(lǐng)域，尤其涉及一種采用L-MBE和MOCVD技術(shù)在Si襯底上生長的LED外延片及其制備方法。

背景技術(shù)：

采用GaN及其相關(guān)的III族半導(dǎo)體材料制備的發(fā)光二極管(LED)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。然而成本問題一直是困擾著LED技術(shù)擴(kuò)展的重要因素。

由于缺乏成熟的的GaN襯底制備技術(shù)，商業(yè)化的GaN基LED一般都通過異質(zhì)外延方法制作。作為常用于生長GaN的襯底，藍(lán)寶石、SiC、Si目前都已實(shí)現(xiàn)器件級(jí)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(shí)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(jià)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(shí)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(bào)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(shí)現(xiàn)器件級(jí)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(jí)的減少。其次，Si的熱膨脹系數(shù)為2.61×10-6/K，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(huì)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。此外，采用傳統(tǒng)的MOCVD(有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法)技術(shù)生長AlN、AlGaN以及GaN時(shí)存在以下幾個(gè)問題：1)在Si襯底上外延生長GaN時(shí)會(huì)通入氨氣(NH₃)，由于Si-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。2)在外延生長AlN及AlGaN層時(shí)，存在嚴(yán)重的寄生預(yù)反應(yīng)，即TMAl與NH₃容易在反應(yīng)腔中氣相形核，形成AlN固體顆粒，一方面降低了AlN的生長速率，另一方面，形成的固體顆粒掉落至薄膜表面容易形成缺陷。3)Al原子在薄膜表面的遷移率低，因此采用傳統(tǒng)的生長技術(shù)很難生長高質(zhì)量高Al組分的AlN，AlGaN薄膜。

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(diǎn)，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(shí)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，尋找Si襯底上生長LED外延片的新方法及工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種采用L-MBE(激光分子束外延)和MOCVD(有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法)在Si襯底上生長的LED外延片，該LED外延片具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，晶體質(zhì)量高，缺陷密度低的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種該LED外延片的制備方法。

本發(fā)明的目的采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種采用L-MBE和MOCVD技術(shù)在Si襯底上生長的LED外延片，包括Si襯底以及在Si襯底上依次生長的單晶Al薄膜、AlGaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN MQWs量子阱層以及p-GaN層；自單晶Al薄膜向n-GaN層的方向，AlGaN緩沖層中Al組分的含量逐漸降低；所述單晶Al薄膜是采用L-MBE方法生長的，所述AlGaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN MQWs量子阱層和p-GaN層是采用MOCVD方法生長的。

本發(fā)明中優(yōu)選的方案為，自單晶Al薄膜向n-GaN層的方向，所述AlGaN緩沖層中Al組分的含量從70％-75％逐漸降低至10％-20％(摩爾百分比)。

本發(fā)明中優(yōu)選的方案為，所述單晶Al薄膜的厚度為20-50nm；所述AlGaN緩沖層的厚度為200-1000nm；所述n-GaN層的厚度為1-3μm，所述p-GaN層的厚度為100-300nm，所述InGaN/GaN MQWs量子阱層的層數(shù)為5-15層。

本發(fā)明還提供了采用L-MBE和MOCVD技術(shù)在Si襯底上生長的LED外延片的制備方法，選用Si襯底的(111)晶面為外延面，采用L-MBE方法在所述外延面上生長單晶Al薄膜，接著采用MOCVD方法在單晶Al薄膜生長AlGaN緩沖層，然后采用MOCVD方法依次生長n-GaN層、InGaN/GaN MQWs量子阱層以及p-GaN層。

優(yōu)選的方案為，采用L-MBE方法生長單晶Al薄膜的條件為：Si襯底溫度為400-800℃，Al源溫度200-400℃，反應(yīng)室壓力為(3-4)×10^-10mTorr，生長速度為0.2-2nm/s。

優(yōu)選的方案為，采用MOCVD方法在單晶Al薄膜生長AlGaN緩沖層，具體為：將單晶Al薄膜轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)室中，先通入氨氣氮化，形成AlN籽晶層；隨后通入TMGa、TMAl以及NH₃，生長出低Al組分的AlGaN薄膜；接著進(jìn)行高溫退火，使單晶Al薄膜中的Al原子擴(kuò)散至低Al組分的AlGaN薄膜中，形成AlGaN緩沖層。

優(yōu)選的方案為，所述氮化的條件為：Si襯底的溫度600-1000℃，NH₃的流量為25slm，氮化時(shí)間為2-5min。

優(yōu)選的方案為，所述低Al組分的AlGaN薄膜的生長溫度為500-900℃，反應(yīng)室氣壓為30-100Torr，通入的TMGa、TMAl和NH₃的摩爾比為9:1:100-2000，反應(yīng)10-50min，生長出Al組分為10％-20％的AlGaN層；隨后在1000-1100℃下退火10-30min，形成自單晶Al薄膜向n-GaN層的方向，Al組分含量從70％-75％至10％-20％漸變的AlGaN緩沖層。

優(yōu)選的方案為，所述的n-GaN層的生長溫度為1000-1100℃，反應(yīng)室氣壓為200-600Torr，V/III比為1000-5000，Si摻雜濃度為(3-10)×10¹⁸cm^-3，生長厚度為1-3μm；所述InGaN/GaN的周期為5-10個(gè)，InGaN勢阱與GaN勢壘的厚度分別為2-4nm與10-14nm，生長溫度分別為700-800℃與800-900℃；所述p-GaN的生長溫度為900-1000℃，V/III比為1000-5000，摻雜濃度為(1-10)×10¹⁸cm^-3，生長厚度為100-300nm。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明結(jié)合L-MBE和MOCVD技術(shù)，先利用L-MBE方法生長單晶Al薄膜，再通過氮化與擴(kuò)散獲得Al組分漸變的AlGaN薄膜，有效抑制了采用傳統(tǒng)的MOCVD工藝生長高Al組分氮化物薄膜時(shí)，存在的強(qiáng)烈的寄生預(yù)反應(yīng)，能夠獲得晶體質(zhì)量優(yōu)異、表面平整的Al組分含量漸變的AlGaN緩沖層薄膜，為后續(xù)高質(zhì)量GaN薄膜及LED結(jié)構(gòu)的外延奠定基礎(chǔ)，進(jìn)一步制備出高質(zhì)量的LED外延片。

2.本發(fā)明的采用L-MBE和MOCVD技術(shù)生長LED外延片，克服了采用傳統(tǒng)方法時(shí)，由于Al原子的遷移率低，導(dǎo)致很難生長高質(zhì)量的AlGaN薄膜的缺點(diǎn)。

3.本發(fā)明的采用L-MBE和MOCVD技術(shù)在Si襯底上生長的LED外延片，具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，晶體質(zhì)量高，缺陷密度低。

附圖說明

圖1為采用本發(fā)明制備方法制備的LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為為由實(shí)施例1的LED外延片制備而成的藍(lán)光LED芯片的電流與光功率、電流與電壓曲線圖；

圖3為實(shí)施例2的LED外延片的高分辨率X射線衍射圖譜。

圖中：11、Si襯底；12、單晶Al薄膜；13、AlGaN緩沖層；14、n-GaN層；15、InGaN/GaN MQWs量子阱層；16、p-GaN層。

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

實(shí)施例1

如圖1所示，一種采用L-MBE和MOCVD技術(shù)在Si襯底上生長的LED外延片，包括Si襯底10以及在Si襯底11上依次生長的單晶Al薄膜12、AlGaN緩沖層13、n-GaN層14、InGaN/GaN MQWs量子阱層15以及p-GaN層16；自單晶Al薄膜12向n-GaN層14的方向，AlGaN緩沖層13中Al組分的含量逐漸降低；所述單晶Al薄膜12是采用L-MBE方法生長的，所述AlGaN緩沖層13、n-GaN層14、InGaN/GaN MQWs量子阱層15和p-GaN層16是采用MOCVD方法生長的。

優(yōu)選的方案為，自單晶Al薄膜向n-GaN層的方向，所述AlGaN緩沖層中Al組分的含量從70％-75％逐漸降低至10％-20％。

優(yōu)選的方案為，所述單晶Al薄膜的厚度為20-50nm；所述AlGaN緩沖層的厚度為200-1000nm；所述n-GaN層的厚度為1-3μm，所述p-GaN層的厚度為100-300nm，所述InGaN/GaN MQWs量子阱層的層數(shù)為5-15層。

本發(fā)明中，所述在Si襯底上生長的LED外延片，采用如下的方法制備而成：

1)選取并清洗Si襯底：

選用單晶Si襯底的(111)面為外延面，將Si襯底的放入15wt％HF溶液中，室溫超聲清洗15秒，去除表面粘污的顆粒，再用乙醇和去離子水超聲清洗，最后用高純干燥氮?dú)獯蹈桑?/p>

2)采用L-MBE方法生長單晶Al薄膜：

加熱高純金屬Al源，利用原子運(yùn)動(dòng)，將Al原子沉積至Si表面；具體的工藝條件為：Si襯底的溫度為600℃，Al源的溫度400℃，反應(yīng)室壓力為4×10^－10mTorr，生長速度為0.8nm/s，生長得到30nm厚的單晶Al薄膜；

3)生長AlGaN緩沖層：

將經(jīng)步驟2)制備的單晶Al薄膜轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)室中，同時(shí)通入NH₃，在600℃的條件下進(jìn)行氮化，將單晶Al薄膜轉(zhuǎn)化成AlN籽晶層；接著調(diào)節(jié)溫度至800℃，氣壓至50Torr，通入TMGa以及TMAl，反應(yīng)10min，生長出200nm厚的、Al組分含量為10％的AlGaN薄膜；隨后升溫到1100℃高溫退火10分鐘，利用原子擴(kuò)散，使下層的Al原子擴(kuò)散至AlGaN薄膜中，形成自單晶Al薄膜向n-GaN層的方向，Al組分含量從70％至10％漸變的AlGaN薄膜。

4)生長n-GaN層、InGaN/GaN MQWs量子阱層和p-GaN層：

調(diào)節(jié)溫度至1050℃，氣壓至200Torr，在AlGaN緩沖層上生長1.5μm厚、Si摻雜濃度為5x10¹⁸cm^-3的n-GaN薄膜；隨后生長周期排布的10層InGaN(3nm)/GaN(12nm)量子阱結(jié)構(gòu)，最后生長150nm厚的p-GaN層。

實(shí)施例2

本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，與實(shí)施例1的不同之處在于：在轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)室之前，先將單晶Al薄膜放入退火爐中，在800℃、氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行退火；隨后取出再轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)室中進(jìn)行下一步外延生長，其后續(xù)生長工藝同實(shí)施例1。

性能檢測：

將實(shí)施例1的LED外延片制備成垂直結(jié)構(gòu)LED芯片：將外延片進(jìn)行清洗，隨后在p-GaN層表面蒸鍍Ti/Ag/Ti/Au；將另一塊n型Si襯底的(100)面蒸鍍上相同的金屬后，與p-GaN層表面進(jìn)行鍵合，隨后采用化學(xué)腐蝕法去除Si襯底，獲得Al/AlN表面；然后采用ICP刻蝕，暴露出n-GaN表面，并在n-GaN表面蒸鍍Cr/Pt/Au電極，最后采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝，得到垂直結(jié)構(gòu)LED芯片。

如圖2所示，為由實(shí)施例1的LED外延片制備而成的LED芯片的電流與光功率、電流與電壓曲線圖。由圖可知，封裝后的藍(lán)光LED在20mA的工作電流下，光輸出功率為19.8mW，運(yùn)行電壓為3.2V。表明由本發(fā)明的LED外延片制備而成的LED芯片具有非常良好的電學(xué)性能。

如圖3所示，為實(shí)施例2的LED外延片的高分辨率X射線衍射圖譜。由圖可知，GaN(0002)的X射線回?cái)[曲線的半峰寬(FWHM)值低至290arcsec，GaN(10-12)的X射線回?cái)[曲線的半峰寬(FWHM)值低至320arcsec，表明采用本發(fā)明的制備方法，在Si襯底上外延生長出了高質(zhì)量的GaN基LED外延片。

對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。