发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管与流程

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。

背景技术：

1、当前，与传统光源相比，gan基发光二极管(led)因效率高、价格低及寿命长等优点被广泛地应用到白光照明、全彩显示、指示灯、液晶背光源、生物医学等不同领域；基于成本与技术成熟度的考量，gan基led的外延生长常在蓝宝石、sic和si等异质衬底上。目前，大多led器件的制备集中于蓝宝石或sic衬底上完成，但这俩种衬底均有各自局限性。蓝宝石衬底难以实现大尺寸外延(8～12英寸等)，同时蓝宝石衬底的散热不良，剥离困难，限制了其在大功率led方向的大规模应用。sic衬底的价格昂贵，一定程度上限制了其大规模应用和产业化发展。si是半导体材料中制备技术最成熟、应用最广泛的材料，容易获得质量高、成本低、尺寸大(4～12英寸)的si衬底，表现出较大的市场发展潜力。并且，与使用最广泛的蓝宝石衬底相比，si衬底具有更高的导电性和导热性，且容易剥离，非常适用于大功率led器件的制造。然而，si衬底与gan外延层薄膜之间存在较大的晶格失配及热失配，会在外延层中引入大量的位错、缺陷和应力，严重的甚至会造成外延片表面的粗化以及开裂等现象。此外，底层缺陷向上延伸进入多量子阱有源区，会形成非辐射复合中心，造成发光二极管光效的降低和和抗静电能力的下降。并且，si衬底上直接生长gan，si原子与ga原子之间会发生反应形成“ga回熔”，造成外延片表面的巨大孔洞。

2、为缓解上述现象，在si衬底上的gan外延过程中，业界普遍采用高低温的aln缓冲层，虽然此法可以阻挡si衬底与gan外延层之间“回熔”现象，但是，单纯的aln缓冲层不能减小si衬底与gan外延层之间的晶格失配，导致外延层缺陷位错密度较高，这些缺陷、位错不仅会影响gan外延层的晶体质量，导致外延片表面粗化、出现裂纹，其向上延伸之后会影响有源区的发光效率，并且降低led芯片的抗静电能力。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管外延片及其制备方法，其可提升发光二极管的发光效率，提高抗静电能力。

2、本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管，其发光效率高、抗静电能力高。

3、为了解决上述问题，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、本征gan层、n型gan层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层和欧姆接触层，所述复合缓冲层包括依次层叠的baal1-an层、scxbyal1-x-yn层和mg掺bbga1-bn层；

4、其中，a为0.3～0.6，x为0～0.25，y为0.3～0.5，b为0～0.3，mg的掺杂浓度＜8×1017cm-3。

5、作为上述技术方案的改进，沿外延生长方向，所述baal1-an层中b组分的占比逐渐升高。

6、作为上述技术方案的改进，沿外延生长方向，所述scxbyal1-x-yn层中sc组分的占比逐渐升高。

7、作为上述技术方案的改进，所述mg掺bbga1-bn层中，mg的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。

8、作为上述技术方案的改进，所述baal1-an层的厚度为30nm～60nm，所述scxbyal1-x-yn层的厚度为20nm～30nm，所述mg掺bbga1-bn层的厚度为10nm～20nm。

9、作为上述技术方案的改进，所述复合缓冲层还包括scαbβal1-α-βn层，所述scαbβal1-α-βn层设于所述scxbyal1-x-yn层之上，其中，α为0.25，β为0.3～0.5，所述scαbβal1-α-βn层的厚度为20nm～30nm。

10、相应的，本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，其包括：

11、提供硅衬底，在所述硅衬底上依次生长复合缓冲层、本征gan层、n型gan层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层和欧姆接触层，所述复合缓冲层包括依次层叠的baal1-an层、scxbyal1-x-yn层和mg掺bbga1-bn层；

12、其中，a为0.3～0.6，x为0～0.25，y为0.3～0.5，b为0～0.3，mg的掺杂浓度＜8×1017cm-3。

13、作为上述技术方案的改进，所述baal1-an层的生长温度为800℃～850℃，生长压力为100torr～150torr；

14、所述scxbyal1-x-yn层的生长温度为820℃～870℃，生长压力为100torr～150torr；

15、所述mg掺bbga1-bn层的生长温度为850℃～900℃，生长压力为100torr～150torr。

16、作为上述技术方案的改进，所述复合缓冲层还包括scαbβal1-α-βn层，所述scαbβal1-α-βn层设于所述scxbyal1-x-yn层之上，所述scαbβal1-α-βn层的生长温度为820℃～870℃，生长压力为100torr～150torr。

17、相应的，本发明还公开了一种发光二极管，其包括上述的发光二极管外延片。

18、实施本发明，具有如下有益效果：

19、1.本发明的发光二极管外延片中，复合缓冲层包括依次层叠的baal1-an层、scxbyal1-x-yn层和mg掺bbga1-bn层。首先，复合缓冲层中b原子的引入一方面可降低与硅衬底的晶格失配，实现较高的势垒，阻挡、填充硅衬底延伸的缺陷，另一方面可取代部分al原子，提高复合缓冲层内部的原子层之间的结合，使得复合缓冲层更加致密，阻止硅衬底的“ga回熔”现象，提高表面平整度，提高外延片发光效率和抗静电能力；其次，scxbyal1-x-yn层中引入sc组分，进一步降低缺陷和位错密度，且sc原子与ga原子相当，可减少与gan材料的晶格失配，提高晶格质量；最后，mg掺bbga1-bn层中引入mg组分，可为本征gan层提供晶核，促进本征gan层三维生长。

20、2.本发明的发光二极管外延片中，baal1-an层中b组分的占比沿外延生长方向逐渐升高，进一步降低baal1-an层与硅衬底的晶格失配，提高晶格质量，提高二极管的发光效率。

21、3.本发明的发光二极管外延片中，scxbyal1-x-yn层中sc组分的占比沿外延生长方向逐渐升高，进一步减少baal1-an层与mg掺bbga1-bn层的晶格失配。

22、4.本发明的发光二极管外延片中，复合缓冲层还包括scαbβal1-α-βn层，scαbβal1-α-βn层设于scxbyal1-x-yn层之上，其中，α恒定为0.25，减少scxbyal1-x-yn层与mg掺bbga1-bn层的晶格失配，降低缺陷密度。

技术特征：

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、本征gan层、n型gan层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层和欧姆接触层，所述复合缓冲层包括依次层叠的baal1-an层、scxbyal1-x-yn层和mg掺bbga1-bn层；

2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，沿外延生长方向，所述baal1-an层中b组分的占比逐渐升高。

3.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，沿外延生长方向，所述scxbyal1-x-yn层中sc组分的占比逐渐升高。

4.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述mg掺bbga1-bn层中，mg的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。

5.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述baal1-an层的厚度为30nm～60nm，所述scxbyal1-x-yn层的厚度为20nm～30nm，所述mg掺bbga1-bn层的厚度为10nm～20nm。

6.如权利要求1-5任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述复合缓冲层还包括scαbβal1-α-βn层，所述scαbβal1-α-βn层设于所述scxbyal1-x-yn层之上，其中，α为0.25，β为0.3～0.5，所述scαbβal1-α-βn层的厚度为20nm～30nm。

7.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1～6任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述baal1-an层的生长温度为800℃～850℃，生长压力为100torr～150torr；

9.如权利要求7或8所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述复合缓冲层还包括scαbβal1-α-βn层，所述scαbβal1-α-βn层设于所述scxbyal1-x-yn层之上，所述scαbβal1-α-βn层的生长温度为820℃～870℃，生长压力为100torr～150torr。

10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的发光二极管外延片。

技术总结
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管，涉及半导体光电器件领域。发光二极管外延片包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层和欧姆接触层，所述复合缓冲层包括依次层叠的B<subgt;a</subgt;Al<subgt;1‑a</subgt;N层、Sc<subgt;x</subgt;B<subgt;y</subgt;Al<subgt;1‑x‑y</subgt;N层和Mg掺B<subgt;b</subgt;Ga<subgt;1‑b</subgt;N层；其中，a为0.3～0.6，x为0～0.25，y为0.3～0.5，b为0～0.3，Mg的掺杂浓度＜8×10<supgt;17</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率、提高抗静电能力。

技术研发人员：印从飞,张彩霞,刘春杨,胡加辉,金从龙
受保护的技术使用者：江西兆驰半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25