[发明专利]基于图形化Si衬底的LED外延片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于图形化Si衬底的LED外延片及其制备方法，所述LED外延片包括：图形化Si衬底、生长在图形化Si衬底上的Al₂O₃涂层；在Al₂O₃涂层上依次生长出成核层、第一缓冲层、第一插入层、第二缓冲层、第二插入层、n‑GaN层、InGaN/GaN量子阱层、p‑GaN层、与n‑GaN层电连接的n电极、以及与p‑GaN层电连接的p电极。本发明更适用于制备大尺寸的LED外延片，且晶体质量提高，LED管芯的光提取效率提升。

技术领域

本发明涉及LED外延技术领域，特别是涉及一种基于图形化Si衬底的 LED外延片及其制备方法。

背景技术

GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料(AlN、GaN、InN以及由它们组成的三元或四元合金材料)室温下带隙可以从0.7～6.2eV范围内连续可调，颜色覆盖了整个可见光波段和一部分红外、紫外波段，在激光器(LD)、发光二极管 (LED)、全光谱太阳能电池和探测器等光电子器件方面具有广泛的应用和发展。1989年，Akasaki、Amono第一次成功制备出p-n结GaN蓝光发光二极管；到1994年，日本日亚公司的Nakamura等实现了InGaN/GaN异质结蓝光 LED的产业化后，GaN基LED光电子器件广泛应用于背光、照明、显示等领域。

近20年来，科研人员针对于GaN外延生长技术不断的探索及改进，但是由于生长GaN外延层最理想的同质衬底GaN体材料很难制备(因为GaN熔点很高(2800℃)和平衡蒸气压(4.5GPa)很大)；因此，GaN的外延生长多在异质衬底上进行。目前生长GaN基器件材料最常使用的衬底是蓝宝石、SiC 和Si。这三种衬底中，蓝宝石衬底以其低廉的价格和稳定的质量，以及图形化蓝宝石衬底的使用带来出光效率的大幅提升，使其成为目前LED行业的主流技术。但是，蓝宝石导热率较低，器件散热困难，这也严重制约着蓝宝石衬底大功率LED的发展。SiC衬底具有优良的热导率(4.49W/cm·K)，且与 GaN的晶格失配仅3.5％，但其价格昂贵、衬底尺寸较小，就造成成本难以下降，只能在高端应用中使用。而Si衬底具有价格低廉、尺寸大、晶体质量高、导热率高等优点，而且Si基器件技术十分成熟，Si器件工艺可以成熟的对器件进行剪薄、倒装、封装等步骤，提高器件工作的可靠性。但是，在Si衬底上外延生长GaN最主要的问题是其GaN-on-Si外延膜当中存在较大的应力导致表面龟裂问题。另外，在Si衬底上生长GaN外延材料时，如果不做处理， Si衬底会在氨气(NH3)的氛围下与Ga原子反应(被称为回熔反应)，造成大量的表面缺陷，无法制成器件。为了解决这个问题，需要对MOCVD反应腔进行仔细的清洗，去除Ga原子的背景，并且在生长GaN材料之前需要先生长AlN成核层，从而避免回熔反应。

LED效率的提高除了提高生长的GaN外延膜的晶体质量，改进内量子效应以外，还需要对出光效率进行优化。LED出光效率的改进有两种主要途径，一种是LED外延片表面粗化技术，增大了表面的出光量；另一种是在图形蓝宝石衬底(Patterned SapphireSubstrate，PSS)上制备LED外延片，利用底面图形衬底增加底部反射出光。对于传统的Si衬底上的LED，需要进行倒装工艺并对Si衬底进行完全的剥离，因为Si材料在蓝光波长是完全不透光的。在 Si衬底剥离之后，需要对背面的AlN成核层进行粗化，这样才能够提高出光效率。在N面的AlN成核层上进行表面粗化，可以通过干法或者湿法的工艺进行，但是制作工艺都是相对来说比较困难的，AlN的干法刻蚀速度较慢，湿法刻蚀需要较高的温度。

而在Si衬底上制作图形结构就相对比较成熟，而且更为简便。但是在图形化Si衬底上直接制备GaN LED结构时，通常需要使用AlN成核层来避免 Si和Ga原子之间的刻蚀反应(meltback etching)。但是，AlN沉积在Si衬底上时，可以附着到图形化Si衬底的各个方向无法制备单晶的GaN外延材料。

发明内容