一種采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，具體是采用金屬有機化合物氣相外延在Si襯底上生長LED外延片，其結構包括Si襯底層、依次生長在Si襯底層的AlN緩沖層、步進AlxGa1?xN緩沖層和AlN插入層、下層三維GaN島層、原位SiN插入層、上層三維GaN島層、n?GaN層、InGaN/GaN多量子阱層和p?GaN層。本實用新型的Si襯底上LED外延片具有殘余應力低，缺陷密度小，晶體質量好，光電性能優(yōu)異等特點。
【專利說明】
_種采用S i N插入層在S i襯底上生長的LED外延片
技術領域
[0001]本實用新型屬于半導體技術領域，具體涉及一種采用金屬有機化合物氣相外延技術在Si襯底上生長LED外延片。
【背景技術】
[0002]采用GaN及其相關的III族半導體材料制備發(fā)光二極管(LED)是現(xiàn)階段常用的技術手段，然而成本問題一直是阻礙LED技術擴展的重要因素。如今，Si單晶體成熟的生長工藝可用較低成本獲得大面積高質量Si襯底，在Si襯底生長LED有效降低了LED的制備成本，并且適用于大功率LED器件的制備。
[0003]雖然Si具有許多優(yōu)越性，但在Si襯底上制備的GaN單晶薄膜質量不如傳統(tǒng)的藍寶石襯底，且Si與GaN的晶格失配度較大(約16%)，在Si上生長的GaN外延層缺陷難以實現(xiàn)數(shù)量級減少。同時，Si與GaN熱失配高達114%，導致外延層產(chǎn)生巨大張應力，從而容易引起外延層龜裂。
[0004]目前，國內外已有多種技術實現(xiàn)在Si襯底上生長高質量GaN薄膜。原位SiN插入層技術能實現(xiàn)三維GaN島狀生長、抑制錯位缺陷和改善Si襯底上GaN薄膜的晶體質量，提高LED的器件性能與可靠性，現(xiàn)已成為主流的LED制備技術。然而，傳統(tǒng)的原位SiN插入層通常被沉積在二維平面生長的GaN模版上，這種沉積方式很容易導致Si襯底上外延的LED薄膜的殘余應力增大，造成薄膜表面形成微裂紋。為了進一步增加該技術的可靠性與適用性，需要尋求一種方法克服傳統(tǒng)原位SiN插入層在應力控制所存在缺陷。
【實用新型內容】
[0005]針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提供的一種采用原位SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，通過引入一種新型的SiN插入層結構，提供一種殘余應力低、缺陷密度小、晶體質量好、光電性能優(yōu)異的LED外延片。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0007]—種采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其特征在于:包括Si襯底層、依次生長在Si襯底層上的AlN緩沖層、步進AlxGaixN緩沖層、AlN插入層、下層三維GaN島層、原位SiN插入層、上層三維GaN島層、n_GaN層、InGaN/GaN多量子講層和ρ-GaN層。
[0008]優(yōu)選地，所述AlN緩沖層的厚度為90-11nm0
[0009]優(yōu)選地，所述步進AlxGapxN緩沖層包括依次生長的Al0.2GaQ.8N緩沖層、Al0.5Ga0.5N緩沖層、AlQ.8GaQ.2N緩沖層，其中AlQ.2GaQ.8N緩沖層厚度為95-105nm，所述AltL5Ga0.5N緩沖層厚度為140_155nm，所述AlQ.8GaQ.2N緩沖層厚度為185-210nmo
[0010]優(yōu)選地，所述AlN插入層的厚度為30-45nm。
[0011]優(yōu)選地，所述下層三維GaN島層是由若干厚度一致且相互獨立的島組成，其中相互獨立的島的厚度為30-200nm，由相互獨立的島形成的下層三維GaN島層的平均厚度為145_155nm0
[0012]優(yōu)選地，所述下層三維GaN島層、原位SiN插入層、上層三維GaN島層的總厚度為500-1500nm。
[0013]本實用新型的有益技術效果是:
[0014]本實用新型采用先形成相互獨立的下層三維GaN島層，再在下層三維GaN島層上沉積原位SiN插入層，能進一步加強下層三維GaN島層的局域化生長，從而增強下層三維GaN島層生長，能有效抑制缺陷密度大的缺陷。相比與傳統(tǒng)的原位SiN沉積方法，本實用新型所采用的原位SiN插入三維GaN島層的方式能夠有效的降低LED外延片的殘余應力，抑制裂紋的形成，克服了傳統(tǒng)原位SiN技術存在的應力控制缺陷。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型生長在Si襯底上的LED外延片的示意圖。
[0016]圖2為實施例4制備的LED外延片的拉曼光譜圖。
[0017]圖3為實施例4制備的LED外延片的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜，圖中，I為GaN
(0002)的X射線衍射(HRXRD)圖譜，2為GaN( 10-12)的X射線衍射(HRXRD)圖譜。
[0018]圖4為應用實施例1制備的藍光LED芯片的電流與光功率、電流與電壓曲線圖，圖中，I為藍光LED芯片的電流與光功率圖，2為藍光LED芯片的電流與電壓曲線圖。
[0019]其中，ll、Si襯底層；12、A1N緩沖層；13、步進AlxGahN緩沖層；14、A1N插入層；15、下層三維GaN島層；16、原位SiN插入層；17、上層三維GaN島層；18、n_GaN層；19、InGaN/GaN多莖子講層；20、p_GaN層。
【具體實施方式】
[0020]下面，結合附圖以及【具體實施方式】，對本實用新型做進一步描述:
[0021]如圖1所示，本實用新型公開的采用原位SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其包括Si襯底層11、依次生長在Si襯底層11上的AlN緩沖層12、步進AlxGapxN緩沖層13、A1N插入層14、由相互獨立的島組成的下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16、上層三維GaN島層17，以及在上層三維GaN島層17上生長的n-GaN層18、InGaN/GaN多量子阱層19和p-GaN層
20 ο
[0022]實施例1
[0023]本實施例公開的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其包括Si襯底層
11、厚度為90nm AlN緩沖層12、由厚度為95nm AlQ.2Ga0.8N緩沖層、厚度為140nm Al0.5Ga0.5N緩沖層、厚度為185nm AlQ.8Ga0.2N緩沖層組成的步進AlxGa1-XN緩沖層13、厚度為30nm AlN插入層14、由相互獨立的島組成平均厚度為145nm的下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16、上層三維GaN島層17，其中下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16、上層三維GaN島層17的總厚度為500nm，還包括依次在上層三維GaN島層17上生長厚度為2μπι n_GaN層18、厚度為140nm InGaN/GaN多量子阱層19和厚度為200nm p-GaN層20，其中，InGaN/GaN多量子阱層19是由厚度為3nm GaN和厚度為Ilnm InGaN依次交錯排布形成，共排布十個周期。
[0024]實施例2
[0025]本實施例公開的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其包括Si襯底層
11、厚度為10nm AlN緩沖層12、由厚度為55nm Al0.2Ga0.8N緩沖層、厚度為150nm Al0.5Ga0.5N緩沖層、厚度為200nm Al0.8Ga0.2N緩沖層組成的步進AlxGa1-XN緩沖層13、厚度為40nm AlN插入層14、由相互獨立的島組成平均厚度為150nm的下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16、上層三維GaN島層17，其中下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16、上層三維GaN島層17的總厚度為lOOOnm，還包括依次在上層三維GaN島層17上生長厚度為3μπι n_GaN層18、厚度為155nm InGaN/GaN多量子阱層19和厚度為205nm ρ-GaN層20，其中，InGaN/GaN多量子阱層19是由厚度為3.5nm GaN和厚度為12nm InGaN依次交錯排布形成，共排布十個周期。
[0026]實施例3
[0027]本實施例公開的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其包括Si襯底層
11、厚度為IlOnm AlN緩沖層12、由厚度為105nm Al0.2Ga0.8N緩沖層、厚度為155nmAl0.5GaQ.5N緩沖層、厚度為210nm AlQ.8Ga0.2N緩沖層組成的步進AlxGa1-XN緩沖層13、厚度為45nm AlN插入層14、由相互獨立的島組成平均厚度為155nm的下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16、上層三維GaN島層17，其中下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16、上層三維GaN島層17的總厚度為1500nm，還包括依次在上層三維GaN島層17上生長厚度為4μπι n_GaN層
18、厚度為170nm InGaN/GaN多量子阱層19和厚度為210nm ρ-GaN層20，其中，InGaN/GaN多量子阱層19是由厚度為4nm GaN和厚度為13nm InGaN依次交錯排布形成，共排布十個周期。
[0028]實施例4
[0029]本實施例是在實施例3的基礎上進行改進的，區(qū)別是:在LED外延片的制備過程中，原位SiN插入層16的沉積時間為35s,并在不改變下層三維GaN島層15平均厚度條件下，下層三維GaN島層15、原位SiN插入層16和上層三維GaN島層17的總厚度為llOOnrn。
[0030]本實施例制備的Si襯底上LED外延片具有較低的殘余應力和優(yōu)異的晶體質量，圖2是本實施例制備的LED外延片的拉曼光譜圖，其中GaN E2(high)峰的波峰為567.02cm—1與無應力GaN E2(high)的567.5cm—1峰位十分相近，說明本樣品的殘余應力較小。圖3是本實施例制備的LED外延片的X射線回擺曲線，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低至339arcsec (圖3中的I所示)，GaN(10-12)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低至386arcSec(圖3中的2所示)，表明在Si襯底上，生長的LED外延片具有殘余應力低、缺陷密度小、晶體質量好、光電性能優(yōu)異的特點。
[0031]應用實施例1
[0032]取實施例3制備的LED外延片，將實施例3中的LED外延片制備垂直結構LED芯片，具體過程如下:先將外延片進行清洗，隨后在P-GaN層表面依次蒸鍍Ti/Ag/Ti/Au，再將另一塊η型(100)面Si表面蒸鍍上相同金屬后與p-GaN層表面進行鍵合，然后采用化學腐蝕的方法去除外延用S i襯底，獲得A IN表面，接著采用ICP刻蝕，暴露出n-GaN層表面，并在n_GaN層表面依次蒸鍍Cr/Pt/Au電極，最后采用環(huán)氧樹脂進行封裝。如圖4所示，封裝后的藍光LED在350mA的工作電流下，光輸出功率為483mW(圖4中I所示)，運行電壓為3.1V(圖4中2所示)。
[0033]對于本領域的技術人員來說，可根據(jù)以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應該屬于本實用新型權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其特征在于:包括Si襯底層、依次生長在Si襯底層上的AlN緩沖層、步進AlxGapxN緩沖層、AlN插入層、下層三維GaN島層、原位SiN插入層、上層三維GaN島層、n-GaN層、InGaN/GaN多量子講層和ρ-GaN層。2.根據(jù)權利要求1所述的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其特征在于:所述AlN緩沖層的厚度為90-1 1nm03.根據(jù)權利要求1所述的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其特征在于:所述步進AlxGa1-XN緩沖層包括依次生長的Al0.2Ga0.sN緩沖層、Al0.5Ga0.5N緩沖層、Al0.8Ga0.2N緩沖層，其中Al0.2Ga0.8N緩沖層厚度為95-105nm，所述AlQ.5Ga0.5N緩沖層厚度為140-155nm，所述Al0.8Ga0.2N緩沖層厚度為185-210nm。4.根據(jù)權利要求1所述的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其特征在于:所述AlN插入層的厚度為30-45nmo5.根據(jù)權利要求1所述的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其特征在于:所述下層三維GaN島層是由若干厚度一致且相互獨立的島組成，其中相互獨立的島的厚度為30-200nm，由相互獨立的島形成的下層三維GaN島層的平均厚度為145-155nm06.根據(jù)權利要求1所述的采用SiN插入層在Si襯底上生長的LED外延片，其特征在于:所述下層三維GaN島層、原位SiN插入層、上層三維GaN島層的總厚度為500-1500nm。
【文檔編號】H01L33/12GK205508855SQ201620199421
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】李國強
【申請人】河源市眾拓光電科技有限公司