[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: 201410256441.8
• 申請日: 2014-06-10
• 公開（公告）號: CN104037288B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 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;H01L33/16;H01L33/00
• 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

技術領域

本發明涉及LED外延片，特別是一種生長在Si襯底上的LED外延片及其制備方法。

背景技術

發光二極管(LED)作為一種新型固體照明光源和綠色光源，具有體積小、耗電量低、環保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點，在室外照明、商業照明以及裝飾工程等領域都具有廣泛的應用。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題。以低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟，將成為經濟發展的重要方向。在照明領域，LED發光產品的應用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢，二十一世紀將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是現階段LED的應用成本較高，發光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節能環保的方向發展。

III-族氮化物GaN在電學、光學以及聲學上具有極其優異的性質，近幾年受到廣泛關注。GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學和熱穩定性好，熱導率高，熱膨脹系數低，擊穿介電強度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發光效率現在已經達到28％并且還在進一步的增長，該數值遠遠高于目前通常使用的白熾燈(約為2％)或熒光燈(約為10％)等照明方式的發光效率。數據統計表明，我國目前的照明用電每年在4100億度以上，超過英國全國一年的用電量。如果用LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，可節省接近一半的照明用電，超過三峽工程全年的發電量。因照明而產生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與熒光燈相比， GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用壽命約為此類照明工具的100倍。

通常GaN基LED制備所使用的襯底為藍寶石以及SiC。但由于藍寶石襯底價格較高，導致現階段LED芯片價格處于一個較高的水平。其次，由于藍寶石熱導率低(100℃時為25W/m.K)，很難將芯片內產生的熱量及時排出，導致熱量積累，降低了器件的內量子效率，從而最終影響器件的性能。對于SiC而言，雖然不存在上述的缺點，但高昂的價格制約了它的應用；另外，SiC襯底制備GaN基LED的專利只掌握在少數的外國公司手上。因此我們迫切需要尋找一種價格低廉，具有高熱導率的新型襯底。

Si襯底由于具有成熟的制備工藝，高的結晶質量，以及低廉的價格，高達100W/m.K的熱導率，成為了制備GaN基LED器件襯底最好的選擇之一。但與GaN之間巨大的晶格失配(16.9％)會在生長過程中產生大量的穿透位錯，降低GaN層的晶體質量，而穿透位錯的存在會導致缺陷復合，從而降低LED的內量子效率，極大的阻礙了LED的發光效率的提高。此外，巨大的熱失配(54％)會在降溫過程中引入張引力而在GaN表面產生裂紋，制約LED器件的制作。因此為了獲得高發光效率的硅襯底GaN基LED，必須要外延出高質量的GaN薄膜，同時防止裂紋的產生。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種生長在Si襯底上的LED外延片及其制備方法，本發明采用AlN及Al_xGa_1-xN作為起始緩沖層，利用緩沖層間的晶格差異產生的應力過濾穿透位錯的延生；通過AlN/GaN應力補償層補償降溫過程中的張力從而阻止 裂紋的產生，進而能夠外延出超過4μm，高質量的GaN薄膜；同時采用此結構外延生長Si摻n-GaN層、In_yGa_1-yN/GaN量子阱層、Al_zGa_1-zN電子阻擋層和Mg摻p-GaN層，即LED外延片結構；確保在外延降溫過程中不產生裂紋，能夠在硅襯底上外延出高質量的GaN薄膜，降低缺陷密度，提高LED的內量子效率。

為解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：