一種生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片,其包括Si圖形襯底，所述Si圖形襯底的晶體取向?yàn)?111)，其上分布有若干個(gè)形狀相同的圖形凸起；在所述Si圖形襯底上依次生長(zhǎng)有AlN緩沖層、AlGaN步進(jìn)緩沖層、u-GaN層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p-GaN層；在每個(gè)圖形凸起的頂部形成有空洞。本實(shí)用新型使用Si為襯底，同時(shí)結(jié)合圖形襯底和空洞，促進(jìn)薄膜的橫向外延生長(zhǎng)，提升結(jié)晶質(zhì)量，有效緩解應(yīng)力情況以解決裂紋問(wèn)題，并規(guī)避Si圖形襯底的吸光難點(diǎn)，獲得的LED外延片光電性能好、晶體質(zhì)量高，適合應(yīng)用在LED器件中。
【專利說(shuō)明】-種生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及LED外延片，特別涉及一種生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片及 其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] LED是提倡節(jié)能減排的社會(huì)背景下的產(chǎn)物，其環(huán)保、節(jié)能、抗震性能好，在未來(lái)照明 市場(chǎng)上前景廣闊，被譽(yù)為第四代綠色照明光源。
[0003] GaN作為第三代半導(dǎo)體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽和電子漂 移速度、高擊穿電場(chǎng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，在微電子應(yīng)用方面得到了廣泛的關(guān)注。自 I. Akasaki首次成功獲得p-GaN，實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LED的新突破后，GaN基化合物一直是制備LED器 件的主要材料，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。
[0004] 高質(zhì)量GaN材料一般都通過(guò)異質(zhì)外延方法制作。作為常用于生長(zhǎng)GaN的襯底，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%)及熱失配（25%)， 造成生長(zhǎng)的GaN薄膜質(zhì)量較差；SiC雖然與GaN的晶格失配度僅3. 5%，導(dǎo)熱率較高，但它的 熱失配與藍(lán)寶石相當(dāng)（25. 6% )，與GaN的潤(rùn)濕性較差，價(jià)格昂貴，并且外延技術(shù)已被美國(guó)科 銳公司壟斷，因此也無(wú)法普遍使用。相比較下，Si圖形襯底具有成本低、單晶尺寸大且質(zhì)量 高、導(dǎo)熱率高、導(dǎo)電性能良好等諸多特點(diǎn)，并且Si的微電子技術(shù)十分成熟，在Si圖形襯底上 生長(zhǎng)GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成。
[0005] 正是因?yàn)镾i圖形襯底的上述諸多優(yōu)點(diǎn)，Si圖形襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜進(jìn)而制備LED 外延片越來(lái)越備受關(guān)注。但是，目前在Si圖形襯底上制備GaN單晶薄膜的質(zhì)量不如藍(lán)寶石 襯底，主要由于：Si與GaN熱失配遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于藍(lán)寶石，導(dǎo)致外延片更易于龜裂；Si圖形襯底遇 活性N在界面處易形成無(wú)定形的SixNy，影響GaN的生長(zhǎng)質(zhì)量；Si對(duì)可見(jiàn)光的吸收作用也會(huì) 大大降低LED發(fā)光效率。
[0006] 由此可見(jiàn)，即便Si圖形襯底具有成本低、散熱好等優(yōu)點(diǎn)，具有非常良好的發(fā)展前 景，但要在Si圖形襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN薄膜進(jìn)而制備LED外延片，需要尋找Si圖形襯底 上生長(zhǎng)LED外延片的新方法及工藝。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種生長(zhǎng)在Si 圖形襯底上的LED外延片，具有光電性能好、晶體質(zhì)量高的特點(diǎn)。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0009] -種生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：其包括Si圖形襯底，所述 Si圖形襯底的晶體取向?yàn)椋?11)，其上分布有若干個(gè)形狀相同的圖形凸起；在所述Si圖形 襯底上依次生長(zhǎng)有A1N緩沖層、AlGaN步進(jìn)緩沖層、u-GaN層、η-GaN層、InGaN/GaN量子阱 層及p-GaN層；在每個(gè)圖形凸起的頂部形成有空洞。
[0010] 優(yōu)選地，所述AlGaN步進(jìn)緩沖層包含三層，由下而上依次為：第一 AlGaN層、第二 AlGaN層和第三AlGaN層；其中，第一 AlGaN層的厚度為80-150nm ;第二AlGaN層的厚度為 100-200nm ;第三 AlGaN 層的厚度為 200-300nm ;第一 AlGaN 層、第二 AlGaN 層和第三 AlGaN 層中A1的摻雜量依次降低。
[0011] 優(yōu)選地，所述圖形凸起的排布方式為矩形排布或六邊形排布。
[0012] 優(yōu)選地，所述圖形凸起為半球或圓錐，其高度Η為1-1. 2 μ m，邊距d為1-3 μ m，底 寬 w 為 1. 5-3 μ m。
[0013] 優(yōu)選地，所述A1N緩沖層的厚度為10-100nm。
[0014] 優(yōu)選地，所述空洞分布在圖形凸起的頂部，空洞高度h為10-100nm。
[0015] 優(yōu)選地，所述u-GaN層厚度為1-1. 5 μ m。
[0016] 本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0017] (1)本實(shí)用新型采用Si圖形襯底生長(zhǎng)LED外延片，促進(jìn)GaN薄膜橫向生長(zhǎng)，以提升 LED外延片的晶體質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度。
[0018] (2)本實(shí)用新型使用的三層AlGaN步進(jìn)緩沖層，能夠有效緩解因 GaN與Si之間巨 大的晶格失配及熱失配引起的張應(yīng)力，外延出無(wú)裂紋的GaN薄膜，減少漏電流，提高LED的 電學(xué)性能。
[0019] (3)本實(shí)用新型于Si圖形襯底圖形凸起上引入的空洞，能進(jìn)一步釋放應(yīng)力，有效 解決Si圖形襯底生長(zhǎng)外延片的固有裂紋問(wèn)題；另外，借用空洞與GaN界面的全反射效應(yīng)，可 有效將光子反射回頂部而不被Si圖形襯底吸收，大幅度提升LED的光效。
[0020] 綜上所述，本實(shí)用新型使用Si為襯底，同時(shí)結(jié)合圖形襯底和空洞，促進(jìn)薄膜的橫 向外延生長(zhǎng)，提升結(jié)晶質(zhì)量，有效緩解應(yīng)力情況以解決裂紋問(wèn)題，并規(guī)避Si圖形襯底的吸 光難點(diǎn)，獲得的LED外延片光電性能好、晶體質(zhì)量高，適合應(yīng)用在LED器件中。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為實(shí)施例1的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片的截面示意圖。
[0022] 圖2為實(shí)施例1的Si圖形襯底的示意圖。
[0023] 圖3為實(shí)施例1的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片X射線回?cái)[典線圖。
[0024] 圖4為實(shí)施例2的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片X射線回?cái)[曲線圖。
[0025] 圖5為實(shí)施例3的Si圖形襯底的示意圖。
[0026] 圖6為實(shí)施例3的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片X射線回?cái)[曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面，結(jié)合【具體實(shí)施方式】，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述：
[0028] 實(shí)施例1 :
[0029] 請(qǐng)參照?qǐng)D1-圖3,本實(shí)用新型的一種生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其包括 Si圖形襯底11，所述Si圖形襯底11的晶體取向?yàn)椋?11)，其上分布有若干個(gè)形狀相同的圖 形凸起11-1 ;在所述Si圖形襯底11上依次生長(zhǎng)有A1N緩沖層12、AlGaN步進(jìn)緩沖層13、 u-GaN層15、n-GaN層16、InGaN/GaN量子阱層17及p-GaN層18 ;在每個(gè)圖形凸起11-1的 頂部形成有空洞14。
[0030] 圖形凸起11-1的形狀為半球，半球高度Η為1 μ m，邊距d為1 μ m，底寬w為 1. 5 μ m ;排布方式為矩形排布。
[0031] 上述生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片采用如下方法獲得：
[0032] (1)襯底以及其晶向的選取：采用Si圖形襯底，選?。?11)面。
[0033] (2)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)20nm厚A1N緩沖層，工藝條件為：襯底 溫度為860°C，反應(yīng)室壓力為50Torr，V /III比為2000,生長(zhǎng)速度為0· 2ym/h。
[0034] (3)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)AlGaN步進(jìn)緩沖層，工藝條件為：保持襯 底為960°C，反應(yīng)室壓力為量為10slm，TMAl流量為200sccm條件下，TMGa流 量為5sccm，生長(zhǎng)速度為0· 1 μ m/h，生長(zhǎng)90nm厚第一 AlGaN層，A1的摻雜量為75 % ;TMGa 流量為20sccm，生長(zhǎng)速度為0· 3 μ m/h，生長(zhǎng)120nm厚第二AlGaN層，A1的摻雜量為55 % ; TMGa流量為65sccm，生長(zhǎng)速度0. 5 μ m/h，生長(zhǎng)200nm厚第三AlGaN層，A1的摻雜量為20 %。
[0035] (4)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)1 μ m厚u-GaN層，工藝條件為：襯底溫 度為1000°C，反應(yīng)室壓力為150Torr，V /III比為3000,生長(zhǎng)速度為3. 5ym/h。
[0036] (5)米用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)2 μ m厚n-GaN層，工藝條件為：襯底溫 度為1000°C，反應(yīng)室壓力為150Torr，V /III比為2000,生長(zhǎng)速度為2.0ym/h。
[0037] (6)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)200nm厚InGaN/GaN量子阱層，工藝條件 為：襯底溫度為l〇〇〇°C，反應(yīng)室壓力為150Torr，V /III比為2500,生長(zhǎng)速度為0. 4ym/h。
[0038] (7)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)200nm厚p-GaN層，工藝條件為：襯底溫 度為1000°C，反應(yīng)室壓力為150Torr，V/III比為3000,生長(zhǎng)速度為0.4ym/h。
[0039] (8)空洞制作：米用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝于p-GaN層上沉積2 μ m的Si02掩 膜層，利用半導(dǎo)體泵浦固體激光器從Si02掩膜層表面打出通向襯底的通道，隨后在200°C 下用Η3Ρ04和H2S04的混合液沿著通道進(jìn)行腐蝕，于每個(gè)半球圖形凸起的頂部得到高度h為 20nm的空洞，之后用等離子體刻蝕法將Si02掩膜層除去。
[0040] 請(qǐng)參照?qǐng)D3,從X射線回?cái)[典線圖中可以看到，LED外延片中GaN(002)的半峰寬 (^￥腫）值為392 &1^%(3，表明在51(111)面上外延生長(zhǎng)出了低缺陷密度的高質(zhì)量1^0外延 片。
[0041] 本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片在室溫下測(cè)得的PL光譜的發(fā) 光波長(zhǎng)為455nm，半峰寬為19nm，顯示了非常好的光學(xué)性能。
[0042] 實(shí)施例2:
[0043] 本實(shí)施例的特點(diǎn)是：
[0044] 所述生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片采用如下方法獲得：
[0045] (1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肧i圖形襯底，選?。?11)面。
[0046] (2)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)20nm厚A1N緩沖層，工藝條件為：襯底 溫度為960°C，反應(yīng)室壓力為lOOTorr，V /III比為3500,生長(zhǎng)速度為0· 3ym/h。
[0047] (3)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)AlGaN步進(jìn)緩沖層，工藝條件為：保持襯 底為1060°C，反應(yīng)室壓力為100Torr，MV流量為15slm，TMAl流量為250sccm條件下，TMGa 流量為8sccm，生長(zhǎng)速度為0· 2 μ m/h，生長(zhǎng)110nm厚第一 AlGaN層，A1的摻雜量為80 % ;TMGa 流量為25sccm，生長(zhǎng)速度為0· 4 μ m/h，生長(zhǎng)160nm厚第二AlGaN層，A1的摻雜量為60% ; TMGa流量為70sccm，生長(zhǎng)速度為0· 6 μ m/h，生長(zhǎng)240nm厚第三AlGaN層，A1的摻雜量為 25%。
[0048] (4)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)1 μ m厚u-GaN層，工藝條件為：襯底溫 度為1060°C，反應(yīng)室壓力為220Torr，V /III比為2800,生長(zhǎng)速度為3. 3ym/h。
[0049] (5)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)2 μ m厚n-GaN層，工藝條件為：襯底溫 度為1KKTC，反應(yīng)室壓力為220Torr，V /III比為2500,生長(zhǎng)速度為3.0ym/h。
[0050] (6)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)200nm厚InGaN/GaN量子阱層，工藝條件 為：襯底溫度為1060°C，反應(yīng)室壓力為220Torr，V /III比為3000,生長(zhǎng)速度為0. 5ym/h。
[0051] (7)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝生長(zhǎng)200nm厚p-GaN層，工藝條件為：襯底溫 度為1060°C，反應(yīng)室壓力為220Torr，V/III比為3400,生長(zhǎng)速度為0.6ym/h。
[0052] (8)空洞制作：米用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝于p-GaN層上沉積2 μ m的Si02 掩膜層，利用半導(dǎo)體泵浦固體激光器從Si02掩膜層表面打出通向襯底的通道，隨后在 200-250°C下用H 3P0jP H2S04的混合液沿著通道進(jìn)行腐蝕，于每個(gè)半球圖形凸起的頂部得到 高度h為20nm的空洞，之后用等離子體刻蝕法將Si0 2掩膜層除去。
[0053] 請(qǐng)參照?qǐng)D4,從X射線回?cái)[典線圖中可以看到，LED外延片中GaN(002)的半峰寬 (^￥腫）值為385 &1^^(：，表明在51(111)面上外延生長(zhǎng)出了低缺陷密度的高質(zhì)量1^0外延 片。
[0054] 本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片在室溫下測(cè)得的PL光譜的發(fā) 光波長(zhǎng)為457nm，半峰寬為19nm，顯示了非常好的光學(xué)性能。
[0055] 實(shí)施例3 :
[0056] 本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)行改行的，不同之處在于：
[0057] 請(qǐng)參照?qǐng)D5,本實(shí)用新型的Si圖形襯底上排布有多個(gè)形狀相同的圓錐，圓錐高度Η 為1 μ m,邊距d為1 μ m,底寬w為1. 5 μ m ;排布方式為六邊形排布。
[0058] 采用在生長(zhǎng)A1N緩沖層前，對(duì)襯底依次進(jìn)行表面清洗、退火處理步驟，具體方法如 下：
[0059] 表面清洗處理：將Si圖形襯底先放在丙酮溶液中超聲清洗，然后再放在去離子水 中超聲清洗；接著在異丙酮溶液中超聲清洗；然后在氫氟酸溶液中超聲清洗，再在去離子 水中浸泡；再將Si圖形襯底放在硫酸和雙氧水的混合溶液中浸泡；最后將Si圖形襯底放 入氫氟酸中浸泡，用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈伞?br> [0060] 退火處理：將Si圖形襯底在900-1000°C下高溫烘烤3-5h。
[0061] 請(qǐng)參照?qǐng)D6,從X射線回?cái)[典線圖中可以看到，LED外延片中GaN(002)的半峰寬 (^￥腫）值為380 &1^^(：，表明在51(111)面上外延生長(zhǎng)出了低缺陷密度的高質(zhì)量1^0外延 片。
[0062] 本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片在室溫下測(cè)得的PL光譜的發(fā) 光波長(zhǎng)為450nm，半峰寬為19nm，顯示了非常好的光學(xué)性能。
[0063] 對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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)的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應(yīng)該屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：其包括Si圖形襯底，所述Si 圖形襯底的晶體取向?yàn)椋?11)，其上分布有若干個(gè)形狀相同的圖形凸起；在所述Si圖形襯 底上依次生長(zhǎng)有A1N緩沖層、AlGaN步進(jìn)緩沖層、u-GaN層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層 及p-GaN層；在每個(gè)圖形凸起的頂部形成有空洞。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：所述 AlGaN步進(jìn)緩沖層包含三層，由下而上依次為：第一 AlGaN層、第二AlGaN層和第三AlGaN 層；其中，第一 AlGaN層的厚度為80-150nm ;第二AlGaN層的厚度為100-200nm ;第三AlGaN 層的厚度為200-300nm ;第一 AlGaN層、第二AlGaN層和第三AlGaN層中A1的摻雜量依次 降低。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：所述圖形 凸起的排布方式為矩形排布或六邊形排布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：所述圖形 凸起為半球或圓錐，其高度Η為1-1. 2 μ m，邊距d為1-3 μ m，底寬w為1. 5-3 μ m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：所述空洞 分布在圖形凸起的頂部，空洞高度h為10-100nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：所述 u-GaN 層厚度為 1-L 5μπι。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si圖形襯底上的LED外延片，其特征在于：所述Α1Ν 緩沖層的厚度為l〇-l〇〇nm。
【文檔編號(hào)】H01L33/22GK203910840SQ201420307767
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】李國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣州市眾拓光電科技有限公司