一种硅基led外延结构及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种硅基led外延结构及其制备方法和应用 (Silicon-based LED epitaxial structure and preparation method and application thereof ) 是由 李国强 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及发光二极管技术领域,具体涉及一种硅基LED外延结构及其制备方法和应用。所述硅基外延结构从下至上包括硅基衬底、第一缓冲层、AlGaN1插入层、第二缓冲层、AlGaN2插入层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层。本发明通过设置AlGaN1插入层和AlGaN2插入层,避免了硅基衬底和GaN之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使LED外延片发生翘曲现象,控制了硅基外延结构的翘曲,从而提高了波长良品率。(The invention relates to the technical field of light emitting diodes, in particular to a silicon-based LED epitaxial structure and a preparation method and application thereof. The silicon-based epitaxial structure comprises a silicon-based substrate, a first buffer layer, an AlGaN1 insertion layer, a second buffer layer, an AlGaN2 insertion layer, an unintended doping layer, an N-type layer, a quantum well light-emitting layer, a P-type electron blocking layer and a P-type AlGaN layer from bottom to top. According to the invention, the AlGaN1 insertion layer and the AlGaN2 insertion layer are arranged, so that the warping phenomenon of the LED epitaxial wafer caused by lattice mismatch between the silicon-based substrate and GaN and stress generated by thermal deformation difference is avoided, the warping of the silicon-based epitaxial structure is controlled, and the wavelength yield is improved.)
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种硅基LED外延结构及其制备方法和应用。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。
MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)是在气相外延(Vapour Phase Epitaxy，VPE)生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。目前LED外延片多是采用MOCVD技术在其他衬底上制备而成。但是，在以硅基为作为衬底时，由于硅衬底和GaN之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使LED外延片发生翘曲现象，翘曲使得在后续生长发光层时，外延片边缘比中心位置更靠近或紧挨石墨盘的表面，从而使中心部分温度低于边缘部分，最终导致生长发光层后的外延片中心部分的发光波长要比边缘部分长。特别是在生长大尺寸LED外延片时，由于面积较大，将加剧外延片中心部分和边缘部分的波长差，使外延片的波长均匀性降低，这将对后续的芯片制备过程以及分选工作造成时间和成本的大幅增加，同时也将导致LED外延片的波长良品率大幅度下降。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种硅基LED外延结构及其制备方法和应用。制备的硅基LED外延结构可以灵活控制LED外延片的翘曲，提高波长良品率。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
第一方面，本发明提供一种硅基LED外延结构，所述硅基外延结构从下至上包括硅基衬底、第一缓冲层、AlGaN1插入层、第二缓冲层、AlGaN2插入层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构中，所述第一缓冲层为AlN，所述第二缓冲层为AlN。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构中，所述非故意掺杂层为GaN，AlGaN，InAlGaN，InGaN的单层结构或其组合的多层结构。
优选的，在上述的硅基LED外延结构中，非故意掺杂层的组合方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构中，所述N型层为GaN，AlGaN，InAlGaN，InGaN的单层结构或其组合的多层结构。
优选的，在上述的硅基LED外延结构中，N型层的组合方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
优选的，在上述的硅基LED外延结构中，N型层掺杂Si，Si掺杂浓度为1E18/cm3～3E19/cm3。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构中，所述量子阱发光层结构为具有周期性的AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构；其中0＜x≤0.4，0＜y≤0.3，周期数为5～10。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构中，所述P型电子阻挡层为pGaN、pAlGaN、pAlInGaN、pAlN单层结构或其组合的多层结构。
优选的，在上述的硅基LED外延结构中，P型电子阻挡层的组合方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
优选的，在上述的硅基LED外延结构中，N型层掺杂Mg，Mg掺杂浓度为5E18/cm3～3.5E19/cm3。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构中，P型AlGaN层掺杂Mg，Mg掺杂浓度为5E18/cm3～1E20/cm3。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构中，AlGaN1插入层中Al组分含量为20～60％，AlGaN2插入层中Al组分含量为10～50％。
优选的，在上述的硅基LED外延结构中，AlGaN1插入层中Al组分含量高于AlGaN2插入层中Al组分含量。
第二方面，本发明提供一种硅基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备硅基衬底，将硅基衬底在1000℃～1100℃的H2氛围下烘烤1～2min；
步骤S2：在硅基衬底上生长第一缓冲层；生长温度为600～900℃，生长厚度为20～100nm；
步骤S3：在第一缓冲层上生长AlGaN1插入层，生长温度为900～1100℃；
步骤S4：在AlGaN1插入层上生长第二缓冲层，生长温度800～1100℃，生长厚度为100～200nm；
步骤S5：在第二缓冲层上生长AlGaN2插入层，生长温度为1000～1200℃；
步骤S6：在AlGaN2插入层上生长非故意掺杂层，生长温度为1000～1200℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
步骤S7：在非故意掺杂层上生长N型层；生长温度为1000～1400℃，总生长厚度为1～4μm；
步骤S8：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为700～900℃；
步骤S9：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层，生长温度为900-1000℃；生长厚度为30～80nm；
步骤S10：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为900-1000℃；生长厚度为30～150nm。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构的制备方法中，AlGaN2插入层的厚度大于AlGaN1插入层的厚度；AlGaN1和AlGaN2总厚度为300～600nm。
进一步的，在上述的硅基LED外延结构的制备方法中，量子阱发光层结构为具有周期性的AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构；周期数为5～10；任意一个周期内，AlxGa1-xN的厚度为3～10nm，InyGa1-yN的厚度为2～4nm。
第三方面，本发明提供上述硅基LED外延结构或上述硅基LED外延结构的制备方法在制备LED或半导体中的应用。
本发明的有益效果为：
(一)本发明通过设置AlGaN1插入层和AlGaN2插入层，避免了硅基衬底和GaN之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使LED外延片发生翘曲现象，控制了硅基外延结构的翘曲，从而提高了波长良品率。
(二)本发明通过调整AlGaN1插入层和AlGaN2插入层的厚度和Al组分控制硅基外延结构的应力，进一步避免LED外延片发生翘曲。
(三)本发明仅需引入AlGaN1插入层和AlGaN2插入层即可解决技术问题，无需其他复杂的结构，操作简单且快捷，也更加节省制作成本。
附图说明
图1是本发明实施例1硅基LED外延结构的结构示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种硅基LED外延结构，所述硅基外延结构从下至上包括硅基衬底、第一缓冲层、AlGaN1插入层、第二缓冲层、AlGaN2插入层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层。
所述硅基外延结构的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅基衬底，将硅基衬底在1000℃的H2氛围下烘烤1min；
步骤S2：在硅基衬底上生长第一缓冲层；生长温度为600℃，生长厚度为20nm；
步骤S3：在第一缓冲层上生长AlGaN1插入层，生长温度为900℃；
步骤S4：在AlGaN1插入层上生长第二缓冲层，生长温度800℃，生长厚度为100nm；
步骤S5：在第二缓冲层上生长AlGaN2插入层，生长温度为1000℃；
步骤S6：在AlGaN2插入层上生长非故意掺杂层，生长温度为1000℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S7：在非故意掺杂层上生长N型层；生长温度为1000℃，生长厚度为1μm；
步骤S8：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为800℃；
步骤S9：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层，生长温度为900℃；生长厚度为30nm；
步骤S10：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为900℃；生长厚度为30nm。
实施例2
一种硅基LED外延结构，所述硅基外延结构从下至上包括硅基衬底、第一缓冲层、AlGaN1插入层、第二缓冲层、AlGaN2插入层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层。
所述硅基外延结构的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅基衬底，将硅基衬底在1100℃的H2氛围下烘烤2min；
步骤S2：在硅基衬底上生长第一缓冲层；生长温度为900℃，生长厚度为100nm；
步骤S3：在第一缓冲层上生长AlGaN1插入层，生长温度为1100℃；
步骤S4：在AlGaN1插入层上生长第二缓冲层，生长温度1100℃，生长厚度为200nm；
步骤S5：在第二缓冲层上生长AlGaN2插入层，生长温度为1000℃；
步骤S6：在AlGaN2插入层上生长非故意掺杂层，生长温度为1200℃，生长厚度为4.0μm；
步骤S7：在非故意掺杂层上生长N型层；生长温度为1400℃，生长厚度为4μm；
步骤S8：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为800℃；
步骤S9：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层，生长温度为1000℃；生长厚度为80nm；
步骤S10：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为1000℃；生长厚度为150nm。
实施例3：
一种硅基LED外延结构，所述硅基外延结构从下至上包括硅基衬底、第一缓冲层、AlGaN1插入层、第二缓冲层、AlGaN2插入层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层。其中AlGaN1插入层中Al组分含量为30％，AlGaN2插入层中Al组分含量为15％。制备方法同实施例1。
实施例4
一种硅基LED外延结构，所述硅基外延结构从下至上包括硅基衬底、第一缓冲层、AlGaN1插入层、第二缓冲层、AlGaN2插入层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层。其中AlGaN1插入层中Al组分含量为20％，AlGaN2插入层中Al组分含量为30％。制备方法同实施例1。
对比例1
一种硅基LED外延结构，所述硅基外延结构从下至上包括硅基衬底、第一缓冲层、第二缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层。
所述硅基外延结构的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅基衬底，将硅基衬底在1000℃的H2氛围下烘烤1min；
步骤S2：在硅基衬底上生长第一缓冲层；生长温度为600℃，生长厚度为20nm；
步骤S3：在第一缓冲层上生长第二缓冲层，生长温度为1000℃；
步骤S4：在第二缓冲层上生长非故意掺杂层，生长温度为1000℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S5：在非故意掺杂层上生长N型层；生长温度为1000℃，生长厚度为1μm；
步骤S6：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为800℃；
步骤S7：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层，生长温度为900℃；生长厚度为30nm；
步骤S8：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为900℃；生长厚度为30nm。
实验数据
将实施例1～4以及对比例1的LED外延结构采用中拓LED外延片PL谱扫描成像仪进行测试，测试结果如表1所示。
表1
根据表1可知，与对比例1相比，本发明通过设置AlGaN1插入层和AlGaN2插入层，以及控制其厚度和组分，避免了硅基衬底和GaN之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使LED外延片发生翘曲现象，控制了硅基外延结构的翘曲，从而提高了波长良品率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种硅基LED外延结构及其生长方法