[發(fā)明專利]一種基于硅基圖形化襯底的復合緩沖層LED芯片

在審

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• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104241479A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫芳魁;李青峰;李助鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: H01L33/22
• 分類號: H01L33/22;H01L33/12;H01L33/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于硅基發(fā)光二極管芯片技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在硅襯底上應(yīng)用氮化鈦和氮化鋁復合協(xié)變層以降低熱失配的LED芯片。

背景技術(shù)

隨著單晶硅工藝的發(fā)展，利用硅作為LED的襯底具有相當大的應(yīng)用價值，相對于目前常用的藍寶石襯底有著很大的優(yōu)勢，主要有面積大、成本低、高質(zhì)量、導電、導熱性能良好等優(yōu)點。因此，在硅襯底上生長GaN薄膜的研究受到了廣泛關(guān)注。硅材料具有優(yōu)良的物理性能，目前大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量單晶硅的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，可以得到大面積價格低廉的單晶硅片。在硅襯底上制作LED將大大降低制造成本。但是，目前硅襯底上生長的GaN外延材料的質(zhì)量還是不如藍寶石襯底和SiC襯底上生長的外延層質(zhì)量高。主要的原因是硅和GaN之間存在著巨大的晶格失配和熱失配，當GaN外延層從生長溫度（1050℃）降到室溫時，襯底層和外延層會由于熱膨脹，產(chǎn)生晶體生長缺陷。???

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有硅基LED襯底層和外延層之間的熱失配和晶格失配導致的出光效率及產(chǎn)品質(zhì)量低的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種基于圖形化襯底及復合協(xié)變緩沖層的LED芯片。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于圖形化襯底的硅基復合緩沖層發(fā)光二極管芯片，自下而上依次由硅襯底、復合協(xié)變緩沖層、圖形化襯底層、n型GaN外延層、InGaN/GaN多量子阱、P型GaN層、透明導電膜及其電極組成。

當硅基LED從生長溫度1050℃降到室溫的時候，巨大的熱膨脹系數(shù)差在兩種材料之間產(chǎn)生的巨大的熱應(yīng)力對LED整體性能的影響。針對這里產(chǎn)生的熱應(yīng)力，本發(fā)明提出了利用在襯底層和外延層之間插入應(yīng)力協(xié)變緩沖層的辦法使硅襯底和GaN外延層之間的熱應(yīng)力得到轉(zhuǎn)移和釋放。并且利用緩沖層良好的熱化學穩(wěn)定性，降低了GaN模板層中引入位錯和缺陷的幾率。同時利用緩沖層中各層材料之間熱膨脹系數(shù)的不同，協(xié)調(diào)和釋放襯底層和外延層之間多余的熱應(yīng)力。另外，利用緩沖層的交疊結(jié)構(gòu)引入的更多界面，對其下的穿通位錯向上增殖延伸作用進行了抑制。并且，針對目前協(xié)變緩沖層的不足，提出了新的協(xié)變緩沖層的設(shè)計方法。基于新的協(xié)變緩沖層對新結(jié)構(gòu)的LED從1050℃下降到室溫過程中的熱應(yīng)力形變進行了數(shù)值分析，并與未加入?yún)f(xié)變緩沖層的LED進行對比，從而來證明協(xié)變緩沖層對改善熱應(yīng)力引起的形變的效果。最后基于COMSOL?Multiphysics軟件建立多種協(xié)變緩沖層模型，分析不同結(jié)構(gòu)對熱應(yīng)力引起的形變的改善效果，進而選擇一個最優(yōu)的協(xié)變緩沖層結(jié)構(gòu)。

另外，為了解決硅襯底和GaN外延層之間存在的高晶格失配率問題，和有源區(qū)光子大量內(nèi)反射問題，本發(fā)明借鑒了藍寶石襯底上使用的PSS方法，將圖形化襯底技術(shù)應(yīng)用到硅襯底LED中，為提高硅襯底LED出光效率提供了新的思路，同時對硅襯底上的圖形化刻蝕圖案進行了優(yōu)化選擇，提出了一套適合于硅襯底的圖形化方案。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明在硅襯底LED中引入圖形化襯底，使得原本處于臨界角范圍外的光線通過圖形的反射重新進入到臨界角內(nèi)出射，因此提高了光提取效率。

（2）本發(fā)明在硅襯底LED中引入圖形化襯底，降低了外延層和襯底層之間的晶格失配，從而降低了后續(xù)工藝中晶體缺陷的產(chǎn)生，提高了LED的質(zhì)量。

（3）本發(fā)明在硅襯底LED中引入復合協(xié)變緩沖層，利用緩沖層良好的熱化學穩(wěn)定性，降低了在GaN模板層中引入位錯和缺陷的幾率。改善了LED的質(zhì)量。

（4）本發(fā)明在硅襯底LED中引入復合協(xié)變緩沖層，利用緩沖層中各層材料之間熱膨脹系數(shù)的不同協(xié)調(diào)和釋放陳底層和外延層之間多余的熱應(yīng)力，提高了LED的質(zhì)量。

（5）本發(fā)明在硅襯底LED中引入復合協(xié)變緩沖層，緩沖層的交疊結(jié)構(gòu)也將引入更多界面，這些增加的界面又起到阻止下面的穿通位錯向上增殖延伸作用。降低了外延層和襯底層之間的晶格失配，從而降低了后續(xù)工藝中晶體缺陷的產(chǎn)生，提高了LED的質(zhì)量。

（6）相對于現(xiàn)有硅基技術(shù)的LED芯片，本發(fā)明降低了襯底層和外延層之間的熱失配，改善了晶格失配程度，有助于提高硅基LED芯片的出光效率和亮度，使芯片產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為圖形化襯底結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為基于圖形化襯底的硅基復合緩沖層發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為復合協(xié)變緩沖層層數(shù)和緩沖效果之間的關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。