一種采用SiN插入層在Si襯底上生長(zhǎng)的LED外延片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)在Si襯底上生長(zhǎng)LED外延片。
【背景技術(shù)】
[0002]采用GaN及其相關(guān)的III族半導(dǎo)體材料制備發(fā)光二極管(LED)是現(xiàn)階段常用的技術(shù)手段，然而成本問題一直是阻礙LED技術(shù)擴(kuò)展的重要因素。如今，Si單晶體成熟的生長(zhǎng)工藝可用較低成本獲得大面積高質(zhì)量Si襯底，在Si襯底生長(zhǎng)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(zhì)量不如傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底，且Si與GaN的晶格失配度較大(約16%)，在Si上生長(zhǎng)的GaN外延層缺陷難以實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)減少。同時(shí)，Si與GaN熱失配高達(dá)114%，導(dǎo)致外延層產(chǎn)生巨大張應(yīng)力，從而容易引起外延層龜裂。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外已有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)在Si襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN薄膜。原位SiN插入層技術(shù)能實(shí)現(xiàn)三維GaN島狀生長(zhǎng)、抑制錯(cuò)位缺陷和改善Si襯底上GaN薄膜的晶體質(zhì)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(shù)。然而，傳統(tǒng)的原位SiN插入層通常被沉積在二維平面生長(zhǎng)的GaN模版上，這種沉積方式很容易導(dǎo)致Si襯底上外延的LED薄膜的殘余應(yīng)力增大，造成薄膜表面形成微裂紋。為了進(jìn)一步增加該技術(shù)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(yīng)力控制所存在缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供的一種采用原位SiN插入層在Si襯底上生長(zhǎng)的LED外延片，通過引入一種新型的SiN插入層結(jié)構(gòu)，提供一種殘余應(yīng)力低、缺陷密度小、晶體質(zhì)量好、光電性能優(yōu)異的LED外延片。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種采用SiN插入層在Si襯底上生長(zhǎng)的LED外延片，其特征在于:包括Si襯底層、依次生長(zhǎng)在Si襯底層上的AlN緩沖層、步進(jìn)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(jìn)AlxGapxN緩沖層包括依次生長(zhǎng)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(dú)立的島組成，其中相互獨(dú)立的島的厚度為30-200nm，由相互獨(dú)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]—種制備所述采用SiN插入層在Si襯底上生長(zhǎng)的LED外延片的方法，其特征是:包括以下步驟:
[0014](I)制備Si襯底:將單晶Si襯底放入15%HF溶液中室溫超聲清洗15-20秒，去除表面粘污顆粒，再依次用乙醇、去離子水超聲清洗，最后用高純干燥氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br>[0015](2)生長(zhǎng)AlN緩沖層:取步驟(I)制備的Si襯底于溫度為1000-1100°C、氣壓為50-60Torr條件下，通入流量為240-260ymol/min的三甲基鋁、流量為7.5-9slm的NH3,然后AlN緩沖層以生長(zhǎng)速度為3-4nm/s生長(zhǎng)至厚度為90-1 1nm;
[0016](3)生長(zhǎng)AlxGanN緩沖層:在步驟(2)中所述AlN緩沖層生長(zhǎng)條件下，維持三甲基鋁流量不變，然后通入流量為18-25ymol/min三甲基鎵至AlQ.2GaQ.8N緩沖層厚度生長(zhǎng)為95-105nm;再將三甲基鎵的流量增加到50-60ymol/min至Al0.5GaQ.5N緩沖層厚度生長(zhǎng)為140-155nm;最后將三甲基鎵的流量增加到80-90ymol/min至AlQ.8GaQ.2N緩沖層厚度生長(zhǎng)為185-210nm；
[0017](4)生長(zhǎng)AlN插入層:將步驟(3)所述AlxGal-XN緩沖層基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度為800-850°C、反應(yīng)室氣壓為50-60Torr，通入流量為145-160ymol/min三甲基鋁、流量為7-9s Im NH3，然后AlN插入層以生長(zhǎng)速度為4_6nm/min在AlxGa1-xN緩沖層上生長(zhǎng)至30_45nm ；
[0018](5)生長(zhǎng)下層三維GaN島層:在步驟(4)所述AlN插入層基礎(chǔ)上，通入三甲基鎵、NH3，然后相互獨(dú)立的島以一定的生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)至厚度為30-200nm，且相互獨(dú)立的島形成平均厚度為145-155nm的下層三維GaN島層；
[0019](6)沉積原位SiN插入層:在步驟(5)所述下層三維GaN島層基礎(chǔ)上，通入SiH4、NH3，沉積 30-180s ；
[0020](7)生長(zhǎng)上層三維GaN島層:在步驟(6)所述原位SiN插入層基礎(chǔ)上，通入三甲基鋁、NH3，然后下層三維GaN島以一定生長(zhǎng)速度至下層三維GaN島、原位SiN插入層和上層三維GaN島層的總厚度為500-1500nm;
[0021](8)在步驟(7)所述上層三維GaN島層上依次生長(zhǎng)厚度為2_4μπι、Si摻濃度為5xl018cm—3的n-GaN層，交錯(cuò)排布厚度為3_4nm的InGaN和厚度為11-13nm的GaN，交錯(cuò)排布1個(gè)周期形成InGaN/GaN多量子阱層，以及厚度為200-210nm ρ-GaN層。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟(5)中生長(zhǎng)下層三維GaN島層的具體過程是，在步驟(4)所述AlN插入層基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度為800-1050 0C、反應(yīng)室氣壓為300-600Torr，通入流量為280-320ymol/min三甲基鎵、流量為50-70slm NH3，然后相互獨(dú)立的島以45_55nm/min的生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)至厚度為30_200nm，且相互獨(dú)立的島形成平均厚度為145_155nm的下層三維GaN島層。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟(6)中沉積原位SiN插入層的具體過程是，在步驟(5)所述下層三維GaN島層基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度為1000-1100 V、反應(yīng)室氣壓為500_550Torr，通入流量為190-215ymol/min SiH4、流量為45_60slm NH3,沉積30_180s。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟(7)中生長(zhǎng)上層三維GaN島層的具體過程是，在步驟(6)所述原位SiN插入層基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度為800-1050°C，反應(yīng)室氣壓為300_600Torr，通入流量為140-160ymol/min三甲基鋁、流量為7-9slm NH3,然后下層三維GaN島以4_6nm/min生長(zhǎng)速度至下層三維GaN島、原位SiN插入層和上層三維GaN島層的總厚度為500-1500nm。
[0025]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0026]本發(fā)明采用先形成相互獨(dú)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(jìn)一步加強(qiáng)下層三維GaN島層的局域化生長(zhǎng)，從而增強(qiáng)下層三維GaN島層生長(zhǎng)，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，本發(fā)明所采用的原位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(yīng)力，抑制裂紋的形成，克服了傳統(tǒng)原位SiN技術(shù)存在的應(yīng)力控制缺陷。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的示意圖。
[0028]圖2為實(shí)施例4制備的LED外延片的拉曼光譜圖。
[0029 ]圖3為實(shí)施例4制備的LED外延片的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜。
[0030]圖4為應(yīng)用實(shí)施例1制備的藍(lán)光LED芯片的電流與光功率、電流與電壓曲線圖。
[0031 ] 其中，11、Si襯底層；12、AlN緩沖層；13、步進(jìn)AlxGaixN緩沖層；14、AlN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(shí)施方式】
[0032]如圖1所示，本發(fā)明公開的采用SiN插入層在Si襯底上生長(zhǎng)的LED外延片，其包括Si襯底層11，依次生長(zhǎng)在Si襯底層11上的AlN緩沖層12、步進(jìn)AlxGa^xN緩沖層13、A1N插入層14、由相互獨(dú)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(zhǎng)的n-GaN層18、InGaN/GaN多量子阱層19和p-GaN層20。
[0033]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034]實(shí)施例1
[0035]本實(shí)施例公開的采用SiN插入層在Si襯底上生長(zhǎng)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(jìn)AlxGa1-XN緩沖層13、厚度為30nm AlN插入層14、由相互獨(dú)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500，還包括依次在上層三維GaN島層17上生長(zhǎng)厚度為2μπι n_GaN層18、厚度為140nmInGaN/GaN