[发明专利]一种AlN缓冲层结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种AlN缓冲层结构，包括衬底、AlN纳米柱阵列缓冲层、AlGaN缓冲层、n‑GaN层、多量子阱、电子阻挡层、P‑GaN。其中，AlN缓冲层结构为纳米柱阵列结构。相对于薄膜型缓冲层，纳米柱阵列缓冲层与衬底的接触面积小，应力容易得到释放，可大大缩短裂纹长度；纳米柱材料有缺陷自排除效应，可大大降低缺陷密度。基于以上两点，以AlN纳米柱阵列作为缓冲材料，更易获得无裂纹高质量的GaN薄膜，进而提升GaN基LED器件的整体性能。同时，本发明还公开了AlN缓冲层结构制备方法，采用两步法制备LED外延片，先用PECVD生长AlN纳米阵列缓冲层，再用MOCVD生长后续材料，明显提高了LED外延片的制备效率。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种AlN缓冲层及其制备方法，尤其涉及一种Si衬底上GaN基发光二极管的AlN缓冲层结构及其制备方法。

背景技术

发光二极管(light-emitting diode，LED)因具有高效、节能环保、长寿命、体积小等优点，有望代替传统的白炽灯、荧光灯及气体放电灯成为新一代的照明光源，引起了产业及科研领域的广泛关注。自1962年第一只LED诞生至今，LED的各方面性能都得到了极大的提升，应用领域也越来越广。

目前，LED要真正实现大规模广泛应用，需要进一步提高LED芯片的发光效率。然而商业化的LED发光效率仍然有待提高，这主要是因为采用蓝宝石衬底上外延生长造成的。一方面，由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达13.3％，导致外延GaN薄膜过程中形成很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，最终影响了GaN基器件的性能。另一方面，由于室温下蓝宝石(热膨胀系数6.63×10^-6K^-1)与GaN(热膨胀系数5.6×10^-6K^-1)之间的热失配度高，当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。此外，由于蓝宝石的热导率低，室温下是25W/m·K，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。

在此背景下，生产工艺成熟且可用较低成本获得大面积高质量的Si衬底可以有效降低LED的制造成本，同时也十分适合于制备大功率的LED器件。在Si衬底LED发展的前期，由于Si衬底与GaN存在热失配、晶格失配与回融刻蚀等问题，无裂纹高质量的GaN薄膜的难以获得。针对这个难题，一般的思路是插入AlN和AlGaN薄膜缓冲层来综合控制GaN生长的形核过程与应力状态，但获得的GaN薄膜质量依旧不能令人满意。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种AlN缓冲层结构，它采用AlN纳米柱阵列缓冲层，相对于薄膜型缓冲层，纳米柱阵列缓冲层与衬底的接触面积小，应力容易得到释放，可大大缩短裂纹长度；纳米柱材料有缺陷自排除效应，可大大降低缺陷密度。基于以上两点，以AlN纳米柱阵列作为缓冲材料，更易获得无裂纹高质量的GaN薄膜，进而提升GaN基LED器件的整体性能。

本发明的目的之二在于提供一种AlN缓冲层结构的制备方法，采用两步法制备LED外延片，先用PECVD生长AlN纳米阵列缓冲层，再用MOCVD生长后续材料，明显提高了LED外延片的制备效率。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种AlN缓冲层结构，其特征在于，其包括衬底，在衬底上依次生长出AlN纳米柱阵列缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN三维层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层及p-GaN层。

进一步地，所述衬底包括蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO、LiGaO₂、LaSrAlTaO₆、Al或Cu。

进一步地，所述AlN纳米柱阵列缓冲层的高度为200-400nm。