CN115810696B 基于硅基缓冲层的发光二极管外延片及其制备方法（江西兆驰半导体有限公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号CN115810696B(65)同一申请的已公布的文献号(73)专利权人江西兆驰半导体有限公司地址330000江西省南昌市南昌高新技术产业开发区天祥北大道1717号(72)发明人程龙郑文杰高虹刘春杨胡加辉金从龙(74)专利代理机构广州三环专利商标代理有限公司44202专利代理师陈冬莲H10H20/812(2025.01)H10H20/816(2025.01)基于硅基缓冲层的发光二极管外延片及其制备方法本发明涉及半导体技术领域，具体公开一种基于硅基缓冲层的发光二极管外延片及其制备发光层、电子阻挡层及p型GaN层；所述缓冲层包括沿外延方向依次沉积的SiN层、AlSi1-xN过渡缓冲层超晶格结构；所述缓冲层的生长气氛为NH₃/N₂本发明的制备方法能够有效减少硅衬底与GaN之间的晶格失配及热失配，降低缺陷密度，21.一种基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括：提供硅衬底；挡层及p型GaN层；所述缓冲层包括沿外延方向依次沉积的SiN层、AlSi1-xN过渡层、A1N层及低温Al,Ga1-N缓冲层/高温AlGa₁、N缓冲层超晶格结构；所述缓冲层的生长气氛为NH₃/N₂。2.根据权利要求1所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在在NH₃/N₂生长气氛下，在经处理后的所述A1N层上沉积低温Al,Ga₁-,N缓冲层/高温Al,Ga₁_N缓冲层超晶格结构。3.根据权利要求2所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在在900～1100℃温度条件下，对所述硅衬底进行氮化处理。4.根据权利要求1所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述低温AlGa1-N缓冲层/高温AlGa1-N缓冲层超晶格结构中，Al组分含量沿外延方向递减。5.根据权利要求4所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述低温Al,Ga1-N缓冲层/高温AlGa₁N缓冲层超晶格结构中包括周期性依次交替生长的低温AlGa₁,N缓冲层及高温Al,Ga₁-N缓冲层，周期为1～10,各周期中低温AlGa1-,N缓冲层的厚度为0.5~5nm,高温Al,Ga₁N缓冲层的厚度为1～10nm;所述低温AlGa₁N缓冲层的生长温度为750～900℃,所述高温Al,Ga1-N缓冲层的生长温度为1000~1150℃。6.根据权利要求1所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在7.根据权利要求1所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述A1Si₁-N过渡层中，Al组分含量沿外延方向从0.01～0.1递增至0.5～0.8,Si组分含量沿外延方向从0.8～0.9递减至0.2～0.5;所述低温AlGa₁_N缓冲层/高温Al,Ga₁、N缓冲层超晶格结构中，Al组分含量沿外延方向从0.5～0.7递减至0.01～0.1。8.根据权利要求1所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述SiN层的厚度为0.5～5nm,所述A1Si₁-N过渡层的厚度为1～10nm,所述A1N层的厚度为5～20nm。9.根据权利要求1所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层为AlInGaN层，其中，Al组分含量为0.005～0.1,且A1组分含量沿外延方10.一种基于硅基缓冲层的发光二极管外延片，其特征在于，根据权利要求1至9任意一项所述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法制备而成。3基于硅基缓冲层的发光二极管外延片及其制备方法背景技术[0002]GaN基LED的发展终极目标之一是应用于普通照明，与传统的光源(白炽灯、日光刚石结构的硅(111)衬底的晶格失配度达20.4%,且有高达56%的热失配，并且Ga会与Si反应破坏衬底表面，因此在Si衬底上很难生长出高晶体质量的GaN,但是GaN晶体质量仍然是外延片及其制备方法，本发明的制备方法能够有效减少硅衬底与GaN之间的晶格失配及热[0009]所述缓冲层包括沿外延方向依次沉积的SiN层、A1Si₁N过渡层、A1N层及低温[0013]在1000~1300℃温度条件下，通入H₂对所述A1N层进行处理；[0014]在NH₃/N₂生长气氛下，在经处理后的所述A1N层4依次交替生长的低温Al,Ga₁-,N缓冲层及高温AlGa1-,N缓冲层，周期为1~10,各周期中低温Al,Ga₁-N缓冲层的厚度为0.5～5nm,高温Al,Ga₁-N缓冲层的厚度为1～10nm;所述低温~0.8,Si组分含量沿外延方向从0.8～0.9递减至0.2～0.5;方向从0.5～0.7递减至0.01～0.1。[0026]本发明通过在硅衬底上于NH₃/N₂生长气氛下生长缓冲层，且缓冲层由依次沉积的附图说明电子阻挡层6及p型GaN层7;Al,Ga₁_N缓冲层2/高温AlGa₁N缓冲层2超晶格结构24;5散导致外延层晶体质量下降的问题，并为后续外延层的生长提供良好的生长平台，低温[0037]本发明通过在硅衬底1上于NH₃/N₂生长气氛[0038]本发明中，缓冲层2采用中微A7MOCVD(Metal-organicChemicalVapor[0042]在NH₃/N₂生长气氛下，在经处理后的A1N层23上沉积低温Al,Ga沿外延方向递减，从而增加低温Al,Ga₁-N缓冲层2/高温Al,Ga₁-N缓冲层2超晶格结构24与6次交替生长的低温AlGa₁N缓冲层2及高温Al,Ga₁_、N缓冲层2,周期为1～10,示例性的，周期N温缓冲层2之间的多周期交替叠加，完全是否热应力，减少热应力产生的位错缺陷，提升后续外延层的晶格质量；各周期中低温Al,Ga1-N缓冲层2的厚度为0.5~5nm,高温Al,Ga₁-yN缓冲层2的厚度为1～10nm,示例性的，低温AlGa1-N缓冲层2的厚度为0.5nm、1nm、2nm、厚度过厚，容易增加缺陷密度；高温Al,Ga₁-,N缓冲层2的厚度为1nm、3nm、5nm、7nm、9nm或10nm,但不限于此，高温AlGa1-N缓冲层2的厚度过薄，不利于形成平整材料层，密度缺陷增加；低温AlGa₁N缓冲层2的生长温度为750～900℃,低温Al,Ga1-N缓冲层2生长温度过低，容易增加缺陷密度，生长温度过高，应力释放效果差，高温Al,Ga1-N缓冲层2的生长温度为1000～1150℃,高温AlGa₁-N缓冲层2的生长温度过低，侧向生长能力不足，难以生成二维平面。递减，通过A1组分含量与Si组分含量的逐渐变化，可以有效降低SiN层21与A1N层23之间的外延方向从0.01～0.1递增至0.5～0.8,Si组分含量沿外延方向从0.8～0.9递减至0.2~0.5;更优选地，A1组分含量沿外延方向从0.1递增至0.6,Si组分含量沿外延方向从0.9递减至0.3。[0050]其中，低温AlGa₁-N缓冲层2/高温AlGa₁N缓冲层2超晶格结构24中，0<y<1,优选地，低温Al,Ga₁N缓冲层2/高温AlGa₁N缓冲层2超晶格结构24中，Al组分含量沿外延方向从0.5～0.7递减至0.01～0.1,更优选地，A1组分含量沿外延方向从0.5递减至0.1。[0051]其中，SiN层21的厚度为0.5～5nm,AlSi₁N过渡层22的厚度为1～10nm,A1N层23光，降低发光二极管的发光效率，缓冲层2厚度过薄，则应力释放不完全，缺陷密度提高，影响后续外延层的晶体质量，也会降低发光二极管的发光效率。[0052]优选地，缓冲层2生长压力为50～300torr,低压有利于提高原子的迁移率，增加原子横向扩散能力，缓冲层2较易形成一个二维平面，利于后续外延层生长出高质量晶体。[0053]其中，电子阻挡层6为AlInGaN层，其中，A1组分含量为0.005～0.1,且A1组分含量沿外延方向递增，In组分含量为0.01～0.2,既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率。[0054]其中，非掺杂GaN层3的生长温度为1050℃~1200℃,压力100～600torr,厚度为1~5um。非掺杂GaN层3生长温度较高，压力较低，制备而成的GaN晶体质量更佳，同时随着GaN高GaN层厚度对Ga源材料消耗较大，因此厚度不宜过厚。[0055]其中，n型GaN层4生长温度为1050℃~1200℃,压力100～600torr,厚度为2～3um,7[0056]其中，发光层5为周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，周期为6~12,InGaN量子阱层生长温度为790～810℃,厚度为2～5nm,生长压力50～300torr,AlGaN量子垒层生长温度为800～900℃,厚度为5～15nm,生长压力50～300torr,Al组分含量为0.01~0.1。发光层5为电子和空穴复合的区域，合理的结构设计可以显著增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高LED器件发光效率。[0057]一种基于硅基缓冲层的发光二极管外延片，根据上述的基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法制备而成。[0058]下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：[0059]实施例1[0060]请参阅图1及图2所示，一种基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，包[0061]S100.提供硅衬底1,在1100℃温度条件下，对硅衬底1进行氮化处理；层5、电子阻挡层6及p型GaN层7,具体步骤如下：[0063]S210.在硅衬底1上沉积缓冲层2,其中，缓冲层2包括沿外延方向依次沉积的SiN层21、AlSi₁N过渡层22、A1N层23及低温Al,Ga₁_N缓冲层2/高温Al,Ga₁,N缓冲层2超晶格结构24;参阅图3所示，缓冲层2的制备步骤如下：[0064]S211.在NH₃/N₂生长气氛下，在硅衬底1上沉积SiN层21,SiN层21的厚度为2.5nm,生长压力为100torr,生长温度为850℃。[0065]S212.在NH₃/N₂生长气氛下，在SiN层21上沉积A1Si₁-N过渡层22,A1Si₁-N过渡层22的厚度为5.5nm,生长压力为150torr,生长温度为850℃,A1组分含量沿外延方向从0.1递增至0.6,Si组分含量沿外延方向从0.9递减至0.4。[0066]S213.在NH₃/N₂生长气氛下，在Al为10nm,生长压力为100torr,生长温度为850℃。[0068]S215.在NH₃/N₂生长气氛下，在经处理后的A1N层23上沉积低温Al,Ga₁-N缓冲层2/高温AlGa₁N缓冲层2超晶格结构24,Al组分含量沿外延方向从0.5递减至0.1,周期为5,各周期中低温AlGa1-N缓冲层2的厚度为1.5nm,高温Al,Ga₁_N缓冲层2的厚度为6.5nm;所述低温AlGa₁N缓冲层2的生长温度为820℃,所述高温Al,Ga₁N缓冲层2的生长温度为1050℃。[0069]S220.在缓冲层2上沉积非掺杂GaN层3:[0070]其中，非掺杂GaN层3的生长温度为1100℃,压力150torr,厚度为3um。[0071]S230.在非掺杂GaN层3上沉积n型GaN层4:[0072]其中，n型GaN层4生长温度为1120℃,压力100torr,厚度为2um,Si掺杂浓度为2.5[0073]S240.在n型GaN层4上沉积发光层5;[0074]其中，发光层5为周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，周期为10,InGaN量子阱层生长温度为795℃,厚度为3.5nm,生长压力200torr,In组分含量为0.22,AlGaN量子垒层生长温度为855℃,厚度为9.8nm,生长压力200torr,A1组分含量为0.05。8[0075]S250.在发光层5上沉积电子阻挡层6:[0076]电子阻挡层6为AlInGaN层，其中，A1组分含量沿外延方向由0.01递分含量为0.01,生长压力200torr,生长温度为965℃。[0077]S250.在电子阻挡层6上沉积p型GaN层7:[0078]p型GaN层7生长温度985℃,厚度为15nm,生长压力为200torr,Mg掺杂浓度2×10²⁰/[0079]实施例2[0080]一种基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，包括：[0081]S100.提供硅衬底，在1100℃温度条件下，对硅衬底进行氮化处理；[0083]S210.在硅衬底上沉积缓冲层，其中，缓冲层包括沿外延方向依次沉积的SiN层、制备步骤如下：[0084]S211.在NH₃/N₂生长气氛下，在硅衬底上沉积SiN层，SiN层的厚度为0.5nm,生长压力为100torr,生长温度为850℃。[0085]S212.在NH₃/N₂生长气氛下，在度为3nm,生长压力为150torr,生长温度为850℃,A1组分含量沿外延方向从0.1递增至0.6,Si组分含量沿外延方向从0.9递减至0.4。生长压力为100torr,生长温度为850℃。[0088]S215.在NH₃/N₂生长气氛下，在经处理后的A1N层上沉积低AlGa1-N缓冲层超晶格结构，A1组分含量沿外延方向从0.5递减至0.1,周期为5,各周期中低温AlGa₁N缓冲层的厚度为3nm,高温AlGa₁N缓冲层的厚度为10nm;所述低温AlGa₁-yN缓冲层的生长温度为820℃,所述高温Al,Ga1-、N缓冲层的生长温度为1050℃。[0089]S220.在缓冲层上沉积非掺杂GaN层：[0090]其中，非掺杂GaN层的生长温度为1100℃,压力150torr,厚度为3um。[0091]S230.在非掺杂GaN层上沉积n型GaN层：[0092]其中，n型GaN层生长温度为1120℃,压力100torr,厚度为2um,Si掺杂浓度为2.5×[0093]S240.在n型GaN层上沉积发光层；[0094]其中，发光层为周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，周期为10,InGaN量子阱层生长温度为795℃,厚度为3.5nm,生长压力200torr,In组分含量为0.22,AlGaN量子垒层生长温度为855℃,厚度为9.8nm,生长压力200torr,A1组分含量为0.05。[0095]S250.在发光层上沉积电子阻挡层：[0096]电子阻挡层为AlInGaN层，其中，A1组分含量沿外延方向由0.01递增至0.05,In组分含量为0.01,生长压力200torr,生长温度为965℃。[0097]S250.在电子阻挡层上沉积p型GaN层：9[0098]P型GaN层生长温度985℃,厚度为15nm,生长压力为200torr,Mg掺杂浓度2×10²⁰/[0100]一种基于硅基缓冲层的发光二极管外延片的制备方法，包括：[0101]S100.提供硅衬底，在1100℃温度条件下，对硅衬底进行氮化处理；[0103]S210.在硅衬底上沉积缓冲层，其中，缓冲层包括沿外延方向依次沉积的SiN层、制备步骤如下：[0104]S211.在NH₃/N₂生长气氛下，在硅衬底上沉积SiN层，SiN层的厚度为2.5nm,生长压力为100torr,生长温度为850℃。[0105]S212.在NH₃/N₂生长气氛下，在SiN层上沉积A1Si₁-N过渡层，AlS度为5.5nm,生长压力为150torr,生长温度为850℃,A1组分含量沿外延方向从0.2递增至0.8,Si组分含量沿外延方向从0.8递减至0.2。生长压力为100torr,生长温度为850℃。[0108]S215.在NH₃/N₂生长气氛下，在经处理后的A1N层上沉积低AlGa1-N缓冲层超晶格结构，A1组分含量沿外延方向从0.7递减至0.1,周期为5,各周期中低温AlGa₁-N缓冲层的厚度为1.5nm,高温Al,Ga₁-N缓冲层的厚度为6.5nm;所述低温AlGa₁N缓冲层的生长温度为820℃,所述高温AlGa1-N缓冲层的生长温度为1050℃。[0109]S220.在缓冲层上沉积非掺杂GaN层：[0110]其中，非掺杂GaN层的生长温度为1100℃,压力150torr,厚度为3um。[0111]S230.在非掺杂GaN层上沉积n型GaN层：[0112]其中，n型GaN层生长温度为1120℃,压力100torr,厚度为2um,Si掺杂浓度为2.5×[0113]S240.在n型GaN层上沉积发光层；[0114]其中，发光层为周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，周期为10,InGaN量子阱层生长温度为795℃,厚度为3.5nm,生长压力200torr,In组分含量为0.22,AlGaN量子垒层生长温度为855℃,厚度为9.8nm,生长压力200torr,A1组分含量为0.05。[0115]S250.在发光层上沉积电子阻挡层：[0116]电子阻挡层为AlInGaN层，其中，A1组分含量沿外延方向由0.01递增至0.05,In组分含量为0.01,生长压力200torr,生长温度为965℃。[0117]S250.在电子阻挡层上沉积p型GaN层：[0118]P型GaN层生长温度985℃,厚度为15nm,生长压力为200torr,Mg掺杂浓度2×10²⁰/[0121]对比例2[0122]本对比例与实施例1的不同之处在于：步骤S211、步骤212、步骤213及步骤215中，生长气氛采用H₂。[0123]对比例3[0124]本对比例与实施例1的不同之处在于：缓冲层不包括AlSi1₋N过渡层。[0125]对比例4[0126]本对比例与实施例1的不同之处在于：缓冲层不包括低温AlGa₁₋N缓冲层/高温AlGa₁、N缓冲层超晶格结构。[0127]对比例5[0128]本对比例与实施例1的不同之处量沿外延方向始终保持在0.5,周期为5,各周期中Al,Ga1-,N缓冲层的厚度为1.5nm;所述AlGa₁N缓冲层的生长温度为820℃。[0130]对比例6缓冲层为A1N层，具体的，在NH₃/N₂生长气氛下，在硅衬底上沉积A1N层，A1N层的厚度为[0132]测试由实施例1～3及对比例1～6所制得的外延片对应的发光效率，将