專利名稱：一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LED外延片，具體涉及一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片及其制備方法。
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p_GaN,實(shí)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(guò)異質(zhì)外延方法制作。襯底的選擇對(duì)外延生長(zhǎng)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(jià)格適宜等原則。此外，不同襯底材料對(duì)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(huì)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(jià)格差異較大，襯底材料的不同還會(huì)使LED的成本產(chǎn)生較大的差別。由此可見(jiàn)，GaN基LED襯底材料的選擇至關(guān)重要。作為常用于生長(zhǎng)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(lái)的外延層生長(zhǎng)問(wèn)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(zhǎng)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(rùn)濕性較差，價(jià)格昂貴，并且制造技術(shù)已被美國(guó)Cree壟斷，因此也無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員不斷對(duì)Si襯底上生長(zhǎng)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(zhǎng)的GaN外延層中的缺陷并沒(méi)有數(shù)量級(jí)的減少。其次，Si的熱膨脹系數(shù)為2.61X10_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。再次，在Si襯底上外延生長(zhǎng)GaN時(shí)會(huì)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(wú)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(jiàn)，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(zhǎng)的LED外延片的質(zhì)量，尋找Si襯底上生長(zhǎng)LED外延片的新方法及工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片。本發(fā)明的另一目的在于提供上述生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片，其包括Si襯底層、生長(zhǎng)在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層，在Al2O3保護(hù)層上依次生長(zhǎng)出U-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p_GaN層。本發(fā)明先在Si襯底層上生長(zhǎng)Al2O3保護(hù)層，之后再生長(zhǎng)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(wú)定形的SixNy,從而避免了 SixNy層對(duì)GaN生長(zhǎng)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(114%)，同時(shí)防止Si擴(kuò)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緩沖層包括低溫U-GaN緩沖層和高溫U-GaN緩沖層，低溫U-GaN緩沖層是在Si襯底溫度為600 — 700°C的條件下生長(zhǎng)的，高溫U-GaN緩沖層是在Si襯底溫度為750 - 850°C的條件下`生長(zhǎng)的。一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，采用Si襯底，選擇Si (111)晶面生長(zhǎng)Al2O3保護(hù)層，接著依次生長(zhǎng)出U-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p_GaN層。優(yōu)選地，采用分子束外延生長(zhǎng)法Al2O3保護(hù)層，具體是在Si(Ill)面上鍍上一層厚度為3 - 5nm的Al層，在Si襯底溫度為800 — 900°C時(shí)通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層J保溫。優(yōu)選地，采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法U-GaN緩沖層，具體是采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法先在Si襯底溫度為600 - 700°C、反應(yīng)室壓力為3 - 4X10 —icWTorr、V /III比為30 —40、生長(zhǎng)速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長(zhǎng)低溫U-GaN緩沖層；接著采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在Si襯底溫度為750 - 850°C、反應(yīng)室壓力為3 — 4X 10 —lclmTorr、V /III比為30 —40、生長(zhǎng)速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長(zhǎng)高溫U-GaN緩沖層。優(yōu)選地，采用分子束外延生長(zhǎng)法在Si襯底溫度為450 - 550°C、反應(yīng)室壓力為3 —4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 60、生長(zhǎng)速度為0.4 — 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)n_GaN層。優(yōu)選地，采用分子束外延生長(zhǎng)法在襯底溫度為500 - 750°C，反應(yīng)室壓力為3 —4X10 —1VTorr、V /III比為 30 — 60、生長(zhǎng)速度為 0. 4 - 0. 8ML/s 的條件下生長(zhǎng) InGaN/GaN量子阱層。優(yōu)選地，采用分子束外延生長(zhǎng)法在襯底溫度450 - 550°C，反應(yīng)室壓力為3 —4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 60、生長(zhǎng)速度為0.4 — 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)p_GaN層。優(yōu)選地，在Al2O3保護(hù)層生長(zhǎng)之前，先對(duì)Si襯底依次進(jìn)行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明使用Si作為襯底，在Si (111)上先生長(zhǎng)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(wú)定形的SixNy,從而避免SixNy層對(duì)GaN生長(zhǎng)質(zhì)量的影響；另外，Al2O3層有利于緩解Si與GaN間巨大的熱應(yīng)力失配(114%)，同時(shí)防止Si擴(kuò)散到GaN中。2、本發(fā)明結(jié)合脈沖激光沉積生長(zhǎng)法和分子束外延生長(zhǎng)法，在低溫生長(zhǎng)條件下制備Si襯底LED外延片，通過(guò)降低生長(zhǎng)溫度，有效抑制了傳統(tǒng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝(MOCVD)生長(zhǎng)氮化物的高溫條件(一般都在1000°C以上)對(duì)襯底與GaN的晶格失配度和熱膨脹系數(shù)失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低。3、本發(fā)明采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法與分子束外延生長(zhǎng)法相結(jié)合進(jìn)行多層高質(zhì)量氮化物薄膜的外延生長(zhǎng)，避免采用NH3作為氮源，從而很好地解決了 GaN材料分解溫度與反應(yīng)活性之間的矛盾。4、本發(fā)明采用的脈沖激光沉積生長(zhǎng)法，由于產(chǎn)生的前驅(qū)物具有很高的動(dòng)能，可有效縮短氮化物的形核時(shí)間，保證所獲得的GaN薄膜的單一性。5、使用Si作為襯底,生長(zhǎng)工藝成熟,價(jià)格便宜,散熱好,有利于降低生產(chǎn)成本。綜上所述，本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的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。


圖1為 本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的示意 圖2為本發(fā)明的生Si襯底上的U-GaN緩沖層的X射線面掃描圖譜；
圖3為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的PL譜測(cè)試 圖4為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的EL譜測(cè)試圖。
具體實(shí)施例方式下面結(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(shuō)明。
實(shí)施例1
請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片，其包括Si襯底層11、生長(zhǎng)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(zhǎng)出U-GaN緩沖層13、n_GaN層 14、InGaN/GaN 量子阱層 15 及 p_GaN 層 16。優(yōu)選方案中，所述Al2O3保護(hù)層12的厚度為3 - 5nm。優(yōu)選方案中，所述U-GaN緩沖層13包括低溫U-GaN緩沖層和高溫U-GaN緩沖層，低溫U-GaN緩沖層是在Si襯底溫度為600 — 700°C的條件下生長(zhǎng)的，高溫U-GaN緩沖層是在Si襯底溫度為750 - 850°C的條件下生長(zhǎng)的。上述生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法如下
采用Si襯底，選擇Si (111)晶面生長(zhǎng)Al2O3保護(hù)層，接著依次生長(zhǎng)出U-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子講層及p_GaN層，具體是(I)選取Si襯底，在Si (111)面上鍍上一層厚度為3 — 5nm的Al層，在Si襯底溫度為800 — 900°C時(shí)通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層,保溫30min。(2)采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法U-GaN緩沖層，具體是用靶材Ga和工作壓力為1.5-2.0X10-6Torr的N2射頻等離子體自由基發(fā)生器在Al2O3保護(hù)層上反應(yīng)生成低溫U-GaN緩沖層，工藝條件為Si襯底溫度為600 — 700°C、反應(yīng)室壓力為3 — 4X 10 —ltWTorr、V / III比為 30 - 40、生長(zhǎng)速度為 0. 8 —1.1 ML/s ；
接著用靶材Ga和工作壓力為1. 5 - 2. OX KT6Torr的N2射頻等離子體自由基發(fā)生器在低溫U-GaN緩沖層上反應(yīng)生成高溫U-GaN緩沖層，工藝條件為在Si襯底溫度為750 —850°C、反應(yīng)室壓力為 3 — 4X10 —1QmTorr、V / III比為 30 — 40、生長(zhǎng)速度為 0. 8 —1.1 ML/
So(3)采用分子束外延生長(zhǎng)法在Si襯底溫度為450 — 550°C、反應(yīng)室壓力為3 —4X10 —icWTorr、V /III比為30 — 60、生長(zhǎng)速度為0. 4 - 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)n_GaN層。(4)采用分子束外延生長(zhǎng)法在襯底溫度為500 - 7500C，反應(yīng)室壓力為3 — 4X 10一10mTorr, V / III比為30 — 60、生長(zhǎng)速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱層。(5)采用分子束外延生長(zhǎng)法在襯底溫度450 - 550°C，反應(yīng)室壓力為3 — 4X10 一10mTorr, V / III比為30 — 60、生長(zhǎng)速度為0. 4 - 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)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，不同之處在于在Al2O3保護(hù)層生長(zhǎng)之前，先對(duì)Si襯底依次進(jìn)行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟，具體過(guò)程如下
表面拋光處理將Si襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，用光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面沒(méi)有劃痕后，再采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)襯底進(jìn)行拋光處理。清洗將裝有Si襯底的卡槽放入洗凈的方樽中，加入去離子水和已配好的丙酮直至溶液完全浸沒(méi)Si襯底，超聲5 - 10分鐘；將方樽放入超聲槽內(nèi)，加入去離子水直至水的液面略低于方樽，進(jìn)行超聲清洗5 - 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲后的方樽取出，用去離子水清洗2 - 3遍，直至將丙酮洗凈；向方樽里注入異丙酮溶液，超聲5 — 10分鐘；將方樽放入超聲槽內(nèi)，加入異丙酮直至溶液的液面略低于方樽，進(jìn)行超聲清洗5 — 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲后的方樽取出，用異丙酮溶液清洗2 — 3遍；向方樽里加入去離子水，直至浸沒(méi)Si襯底，再將其放入超聲槽內(nèi)清洗5 - 10分鐘；取出方樽，再取出方樽里的卡槽，向方樽里注入氫氟酸和水直至其液面高度略小于或等于Si襯底的直徑；用聚四氟乙烯的夾子將Si襯底立于方樽內(nèi)，將Si襯底從氫氟酸溶液中取出，放入去離子水中浸泡I 一 2分鐘；配制濃硫酸雙氧水=4:1的溶液于方樽中，加入等量的去離子水，將Si襯底從氫氟酸中取出并放入硫酸雙氧水中5 — 7分鐘；再次將Si襯底放入氫氟酸中I 一 2分鐘，電子級(jí)氫氟酸水=1:10 ;用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?，放入氮?dú)夤瘛?br> 退火將襯底放在壓強(qiáng)為2X 10 —ltlTorr的超高真空的生長(zhǎng)室內(nèi)，在900 — 1000°C下高溫烘烤3 — 5 h以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。通過(guò)退火處理，使得S i襯底獲得原子級(jí)平整的表面。請(qǐng)參照?qǐng)D2，從X射線面掃描圖譜中可以看到，U-GaN緩沖層在使用Al2O3保護(hù)層作為保護(hù)的條件下在Si襯底外延生長(zhǎng)，外延關(guān)系為GaN(0002)// Al2O3 (0006)//Si (111)。請(qǐng)參照?qǐng)D3，為本發(fā)明制備的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的在溫度為室溫下PL譜測(cè)試圖。由圖可知，溫度為293K下PL譜測(cè)試得到發(fā)光峰波長(zhǎng)為450nm，半峰寬為22 nm。表明本發(fā)明制備的LED外延片在光學(xué)性質(zhì)上具有非常好的性能。請(qǐng)參照?qǐng)D4，為本發(fā)明制備的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的在溫度為室溫下EL譜測(cè)試圖。由圖可知，溫度為293K下EL譜測(cè)試得到發(fā)光峰波長(zhǎng)為452nm，半峰寬為20 nm,輸出功率為4. 5mwi20mA,光照度為0.5 Im0表明本發(fā)明制備的LED外延片在電學(xué)性質(zhì)上具有非常好的性能。
上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不能以此來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片，其特征在于包括Si襯底層、生長(zhǎng)在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層，在Al2O3保護(hù)層上依次生長(zhǎng)出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(zhǎng)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(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片，其特征在于所述U-GaN緩沖層包括低溫U-GaN緩沖層和高溫U-GaN緩沖層，低溫U-GaN緩沖層是在Si襯底溫度為600 - 7000C的條件下生長(zhǎng)的，高溫U-GaN緩沖層是在Si襯底溫度為750 — 850°C的條件下生長(zhǎng)的。
4.一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，其特征在于采用Si襯底，選擇Si(Ill)晶面生長(zhǎng)Al2O3保護(hù)層，接著依次生長(zhǎng)出U-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子講層及P-GaN層。
5.如權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，其特征在于，采用分子束外延生長(zhǎng)法Al2O3保護(hù)層，具體是在Si (111)晶面上鍍上一層厚度為3 - 5nm的Al層，在Si襯底溫度為800 - 900°C時(shí)通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層，保溫。
6.如權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，其特征在于，采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法U-GaN緩沖層，具體是采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法先在Si襯底溫度為600 - 700°C、反應(yīng)室壓力為3 - 4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 40、生長(zhǎng)速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長(zhǎng)低溫U-GaN緩沖層；接著采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在Si襯底溫度為750 - 850°C、反應(yīng)室壓力為3 - 4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 40、生長(zhǎng)速度為0. 8 —1.1 ML/s的條件下生長(zhǎng)高溫U-GaN緩沖層。
7.如權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，其特征在于，采用分子束外延生長(zhǎng)法在Si襯底溫度為450 - 550°C、反應(yīng)室壓力為3 — 4X 10 —lclmTorr、V /III比為30 - 60、生長(zhǎng)速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)n_GaN層。
8.如權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，其特征在于，采用分子束外延生長(zhǎng)法在襯底溫度為500 - 750°C，反應(yīng)室壓力為3 - 4X10 —icWTorr、V /III比為30 - 60、生長(zhǎng)速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱層。
9.如權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，其特征在于，采用分子束外延生長(zhǎng)法在襯底溫度450 - 550°C，反應(yīng)室壓力為3 - 4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 60、生長(zhǎng)速度為0. 4 — 0. 8ML/s的條件下生長(zhǎng)p_GaN層。
10.如權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片的制備方法，其特征在于在Al2O3保護(hù)層生長(zhǎng)之前，先對(duì)Si襯底依次進(jìn)行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種生長(zhǎng)在Si襯底上的LED外延片，其特征在于包括Si襯底層、生長(zhǎng)在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層，在Al2O3保護(hù)層上依次生長(zhǎng)出u-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p-GaN層。本發(fā)明還公開(kāi)了上述LED外延片的制備方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的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)。
文檔編號(hào)C30B25/02GK103035794SQ20121053491
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)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(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣州市眾拓光電科技有限公司