[發明專利]一種生長在Si襯底上的LED外延片及其制備方法

有效

• 申請號: 201210534913.2
• 申請日: 2012-12-11
• 公開（公告）號: CN103035794A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 李國強
• 申請（專利權）人: 廣州市眾拓光電科技有限公司
• 主分類號: H01L33/12
• 分類號: H01L33/12;H01L33/02;H01L33/00;C30B25/02;C30B25/18
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 湯喜友

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技術領域

本發明涉及一種LED外延片，具體涉及一種生長在Si襯底上的LED外延片及其制備方法。

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背景技術

GaN半導體材料具有優異的光電性能，自I.?Akasaki首次成功獲得p-GaN，實現藍光LED的新突破后，GaN基化合物半導體一直備受關注，在室內照明、商業照明、工程照明等領域有著廣泛的應用。

高質量GaN材料一般都通過異質外延方法制作。襯底的選擇對外延生長GaN材料的質量影響很大，一般需要遵循晶格常數匹配、熱膨脹系數匹配、價格適宜等原則。此外，不同襯底材料對GaN基LED器件的制備工藝也有非常重要的影響。譬如由于GaN晶體存在著自發極化和壓電極化效應，不同的襯底會使所獲得的材料表現出不同的極化特性。此外，由于不同材料價格差異較大，襯底材料的不同還會使LED的成本產生較大的差別。由此可見，GaN基LED襯底材料的選擇至關重要。

作為常用于生長GaN的襯底，藍寶石、SiC、Si目前都已實現器件級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。藍寶石有穩定的物理化學性質，但它與GaN間存在很大的晶格失配（16%）及熱應力失配（25%），造成生長的GaN外延層質量較差。同時它導熱性能差，這也嚴重制約著藍寶石襯底大功率LED的發展。SiC雖然與GaN的晶格失配度僅3.5%，導熱率較高，但它的熱應力失配與藍寶石相當（25.6%），與GaN的潤濕性較差，價格昂貴，并且制造技術已被美國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量Si襯底，降低LED器件的成本。其次，Si具有良好的導熱、導電性能，可方便制成散熱良好的垂直結構器件。再次，Si的微電子技術十分成熟。因此Si襯底上生長GaN?薄膜有望實現光電子和微電子的集成。

目前，國內外研究人員不斷對Si襯底上生長GaN的外延技術進行研究，并有報道成功制備出LED。然而，雖然Si具有許多的優越性，但在Si襯底上制備的GaN單晶薄膜質量不如藍寶石襯底，想實現器件級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%），與藍寶石相當，在Si上生長的GaN外延層中的缺陷并沒有數量級的減少。其次，Si的熱膨脹系數為2.61×10^-6/K，與GaN熱失配高達114%，遠遠高于藍寶石（約-25.5%），這樣會導致在外延層中產生巨大的張應力，從而更容易引起外延層的龜裂。再次，在Si襯底上外延生長GaN?時會通入N₂氣，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Si_xN_y層，這嚴重影響了所獲得GaN基LED器件的質量。

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點，具有非常良好的發展前景，但要使Si襯底GaN基LED能夠真正實現大規模應用，需要提高Si襯底上生長的LED外延片的質量，尋找Si襯底上生長LED外延片的新方法及工藝。

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發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺陷，提供一種具有優異的電學和光學性質的生長在Si襯底上的LED外延片。

本發明的另一目的在于提供上述生長在Si襯底上的LED外延片的制備方法。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種生長在Si襯底上的LED外延片，其包括Si襯底層、生長在Si襯底層上的Al₂O₃保護層，在Al₂O₃保護層上依次生長出u-GaN緩沖層、n-GaN層、InGaN/GaN量子阱層及p-GaN層。本發明先在Si襯底層上生長Al₂O₃保護層，之后再生長GaN薄膜層，Al₂O₃保護層能夠有效防止Si襯底的界面處與活性N反應形成無定形的Si_xN_y，從而避免了Si_xN_y層對GaN生長質量的影響，獲得高質量的GaN薄膜。另外，Al₂O₃保護層能夠緩解Si襯底與GaN間巨大的熱應力失配（114%），同時防止Si擴散到GaN中。