[实用新型]一种生长在Si图形衬底上的LED外延片

说明书

技术领域

本实用新型涉及LED外延片，特别涉及一种生长在Si图形衬底上的LED外延片及其制备方法。

背景技术

LED是提倡节能减排的社会背景下的产物，其环保、节能、抗震性能好，在未来照明市场上前景广阔，被誉为第四代绿色照明光源。

GaN作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率等优异性能，在微电子应用方面得到了广泛的关注。自I.Akasaki首次成功获得p-GaN，实现蓝光LED的新突破后，GaN基化合物一直是制备LED器件的主要材料，在室内照明、商业照明、工程照明等领域有着广泛的应用。

高质量GaN材料一般都通过异质外延方法制作。作为常用于生长GaN的衬底，蓝宝石有稳定的物理化学性质，但它与GaN间存在很大的晶格失配(16％)及热失配(25％)，造成生长的GaN薄膜质量较差；SiC虽然与GaN的晶格失配度仅3.5％，导热率较高，但它的热失配与蓝宝石相当(25.6％)，与GaN的润湿性较差，价格昂贵，并且外延技术已被美国科锐公司垄断，因此也无法普遍使用。相比较下，Si图形衬底具有成本低、单晶尺寸大且质量高、导热率高、导电性能良好等诸多特点，并且Si的微电子技术十分成熟，在Si图形衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。

正是因为Si图形衬底的上述诸多优点，Si图形衬底上生长GaN薄膜进而制备LED外延片越来越备受关注。但是，目前在Si图形衬底上制备GaN单晶薄膜的质量不如蓝宝石衬底，主要由于：Si与GaN热失配远远高于蓝宝石，导致外延片更易于龟裂；Si图形衬底遇活性N在界面处易形成无定形的SixNy，影响GaN的生长质量；Si对可见光的吸收作用也会大大降低LED发光效率。

由此可见，即便Si图形衬底具有成本低、散热好等优点，具有非常良好的发展前景，但要在Si图形衬底上生长高质量GaN薄膜进而制备LED外延片，需要寻找Si图形衬底上生长LED外延片的新方法及工艺。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在Si图形衬底上的LED外延片，具有光电性能好、晶体质量高的特点。

实现本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种生长在Si图形衬底上的LED外延片，其特征在于：其包括Si图形衬底，所述Si图形衬底的晶体取向为(111)，其上分布有若干个形状相同的图形凸起；在所述Si图形衬底上依次生长有AlN缓冲层、AlGaN步进缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层及p-GaN层；在每个图形凸起的顶部形成有空洞。

优选地，所述AlGaN步进缓冲层包含三层，由下而上依次为：第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层；其中，第一AlGaN层的厚度为80-150nm；第二AlGaN层的厚度为100-200nm；第三AlGaN层的厚度为200-300nm；第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层中Al的掺杂量依次降低。

优选地，所述图形凸起的排布方式为矩形排布或六边形排布。

优选地，所述图形凸起为半球或圆锥，其高度H为1-1.2μm，边距d为1-3μm，底宽w为1.5-3μm。

优选地，所述AlN缓冲层的厚度为10-100nm。

优选地，所述空洞分布在图形凸起的顶部，空洞高度h为10-100nm。

优选地，所述u-GaN层厚度为1-1.5μm。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型采用Si图形衬底生长LED外延片，促进GaN薄膜横向生长，以提升LED外延片的晶体质量，降低位错密度。

(2)本实用新型使用的三层AlGaN步进缓冲层，能够有效缓解因GaN与Si之间巨大的晶格失配及热失配引起的张应力，外延出无裂纹的GaN薄膜，减少漏电流，提高LED的电学性能。

(3)本实用新型于Si图形衬底图形凸起上引入的空洞，能进一步释放应力，有效解决Si图形衬底生长外延片的固有裂纹问题；另外，借用空洞与GaN界面的全反射效应，可有效将光子反射回顶部而不被Si图形衬底吸收，大幅度提升LED的光效。

综上所述，本实用新型使用Si为衬底，同时结合图形衬底和空洞，促进薄膜的横向外延生长，提升结晶质量，有效缓解应力情况以解决裂纹问题，并规避Si图形衬底的吸光难点，获得的LED外延片光电性能好、晶体质量高，适合应用在LED器件中。

附图说明