[发明专利]一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及LED外延片，特别是一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法。

背景技术

发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。

III-族氮化物GaN在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。GaN是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的发光效率现在已经达到28％并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯(约为2％)或荧光灯(约为10％)等照明方式的发光效率。数据统计表明，我国目前的照明用电每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省接近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。因照明而产生的温室气体排放也会因此而大大降低。另外，与荧光灯相比， GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。

通常GaN基LED制备所使用的衬底为蓝宝石以及SiC。但由于蓝宝石衬底价格较高，导致现阶段LED芯片价格处于一个较高的水平。其次，由于蓝宝石热导率低(100℃时为25W/m.K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，降低了器件的内量子效率，从而最终影响器件的性能。对于SiC而言，虽然不存在上述的缺点，但高昂的价格制约了它的应用；另外，SiC衬底制备GaN基LED的专利只掌握在少数的外国公司手上。因此我们迫切需要寻找一种价格低廉，具有高热导率的新型衬底。

Si衬底由于具有成熟的制备工艺，高的结晶质量，以及低廉的价格，高达100W/m.K的热导率，成为了制备GaN基LED器件衬底最好的选择之一。但与GaN之间巨大的晶格失配(16.9％)会在生长过程中产生大量的穿透位错，降低GaN层的晶体质量，而穿透位错的存在会导致缺陷复合，从而降低LED的内量子效率，极大的阻碍了LED的发光效率的提高。此外，巨大的热失配(54％)会在降温过程中引入张引力而在GaN表面产生裂纹，制约LED器件的制作。因此为了获得高发光效率的硅衬底GaN基LED，必须要外延出高质量的GaN薄膜，同时防止裂纹的产生。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法，本发明采用AlN及Al_xGa_1-xN作为起始缓冲层，利用缓冲层间的晶格差异产生的应力过滤穿透位错的延生；通过AlN/GaN应力补偿层补偿降温过程中的张力从而阻止 裂纹的产生，进而能够外延出超过4μm，高质量的GaN薄膜；同时采用此结构外延生长Si掺n-GaN层、In_yGa_1-yN/GaN量子阱层、Al_zGa_1-zN电子阻挡层和Mg掺p-GaN层，即LED外延片结构；确保在外延降温过程中不产生裂纹，能够在硅衬底上外延出高质量的GaN薄膜，降低缺陷密度，提高LED的内量子效率。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：