CN217641378U - 一种硅基发光二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种硅基发光二极管，涉及半导体光电技术领域，包括硅衬底，该硅基发光二极管还包括：依次层叠于硅衬底之上的缓冲层、N型半导体层、发光层、电子阻挡层、P型半导体层及接触层；其中，所述缓冲层依次包括石墨烯层、第一AlN层、SiN层以及第二AlN层，所述石墨烯层设于所述硅衬底之上，所述第一AlN层为低温生长的AlN层，所述第二AlN层为高温生长的AlN层。本实用新型能够解决现有技术中硅衬底与氮化镓外延层之间存在较大的晶格失配和热失配，造成氮化镓外延层产生大量缺陷和位错的技术问题。

Description

一种硅基发光二极管

技术领域

本实用新型涉及半导体光电技术领域，具体涉及一种硅基发光二极管。

背景技术

随着半导体行业的不断发展，发光二极管作为新型照明光源，具有寿命长、节能、环保及安全等显著优点，其在照明与显示领域迅速发展。发光二极管，即LED，其是通过电子与空穴复合释放能量发光。发光二极管一般采用三族氮化物半导体材料，作为三族氮化物材料的代表，氮化镓(GaN)由于其优良的电子与光学性能成为发光二极管领域研究的前沿和热点，因此氮化镓材料在发光二极管中的应用尤为重要。

目前比较常见的氮化镓一般生长在衬底上，衬底的材质为硅、蓝宝石及碳化硅材料，但是由于蓝宝石衬底和碳化硅衬底成本较高，不容易实现大尺寸生长，而硅衬底成本低廉，易于集成以及大尺寸生产，一般选取硅衬底作为发光二极管的衬底，形成硅基发光二极管，但是硅衬底与氮化镓外延层之间存在较大晶格失配和热失配问题，这种晶格失配和热失配会在氮化镓外延层中造成大量的缺陷和位错，引起氮化镓外延层的晶体质量差甚至产生裂纹，直接影响硅基发光二极管的良品率与可靠性。

因此，现有的硅基发光二极管普遍存在硅衬底与氮化镓外延层之间存在较大的晶格失配和热失配，造成氮化镓外延层产生大量缺陷和位错的技术问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种硅基发光二极管，旨在解决现有技术中硅衬底与氮化镓外延层之间存在较大的晶格失配和热失配，造成氮化镓外延层产生大量缺陷和位错的技术问题。

本实用新型在于提供一种硅基发光二极管，包括硅衬底，所述硅基发光二极管还包括：

依次层叠于所述硅衬底之上的缓冲层、N型半导体层、发光层、电子阻挡层、P型半导体层及接触层；

其中，所述缓冲层包括依次层叠设置的石墨烯层、第一AlN层、SiN层以及第二AlN层，所述石墨烯层设于所述硅衬底之上，所述第一AlN层为低温生长的AlN层，所述第二AlN层为高温生长的AlN层。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：在硅衬底与N型半导体层之间加入缓冲层，利于N型半导体层的生长，提高N型半导体层的晶体质量，具体为，缓冲层包括依次层叠设置的石墨烯层、第一AlN层、SiN层以及第二AlN层，石墨烯层的良好的热传导能力可以提高硅基发光二极管的散热能力，缓解其在工作过程中的热聚集，增加硅基发光二极管的可靠性，同时石墨烯层的结构与氮化镓材料的结构相似，能有效地提高N型半导体层的外延质量。第一AlN层由于其低温生长形成三维成核层，提供了高密度的成核中心，降低了硅衬底与第一AlN层之间的自由能，奠定了缓冲层的结晶质量，利于后续N型半导体层的应力释放。SiN层由于Si原子的原子直径小，可以填补位错的空白位置，可以将向上延伸的位错线填补，从而提高后续外延层的晶体质量。第二AlN层可加速第一AlN层三维成核层形成的岛之间的合并，形成高质量的缓冲层。在石墨烯层、第一AlN层、SiN层以及第二AlN层的共同作用下，提高缓冲层的晶体质量，以提高后续N型半导体层的晶体质量，减少裂纹的出现，从而提高硅基发光二极管的良品率和可靠性，避免晶格失配和热失配会在氮化镓外延层中造成大量的缺陷和位错，引起氮化镓外延层的晶体质量差甚至产生裂纹，影响硅基发光二极管的良品率与可靠性，从而解决了现有技术中硅衬底与氮化镓外延层之间存在较大的晶格失配和热失配，造成氮化镓外延层产生大量缺陷和位错的技术问题。

进一步地，所述石墨烯层的厚度为1-6nm。

进一步地，所述第一AlN层的厚度为10-20nm。

进一步地，，所述第二AlN层的厚度为40-60nm。

进一步地，所述SiN层的厚度为2-8nm。

进一步地，所述N型半导体层为N型掺杂GaN薄膜层，其厚度为2-3μm。

进一步地，所述发光层为多量子阱结构，包括若干个周期的InGaN阱层和AlGaN垒层，其中，InGaN阱层的厚度为3-3.7nm，AlGaN垒层的厚度为9-12nm。

进一步地，所述电子阻挡层为AlInGaN薄膜层，其厚度为30-50nm。

进一步地，所述P型半导体层为P型掺杂GaN薄膜层，其厚度15-30nm。

进一步地，所述接触层为P型掺杂GaN薄膜层，其厚度为1-6nm。

附图说明

本实用新型的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例中硅基发光二极管的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中缓冲层的结构示意图；

附图元器件符号说明：

硅衬底100，缓冲层200，石墨烯层210，第一AlN层220，SiN层230，第二AlN层240，N型半导体层300，发光层400，电子阻挡层500，P型半导体层600，接触层700。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-图2，所示为本实用新型实施例提供的一种硅基发光二极管，该硅基发光二极管包括硅衬底100，其中，衬底为外延层生长的基板，是决定发光二极管颜色、亮度及寿命等性能指标的主要因素，目前硅基发光二极管常用的衬底材料包括蓝宝石(Al₂O₃)、硅(Si)及碳化硅(SiC)，但是由于蓝宝石衬底和碳化硅衬底100成本较高，不容易实现大尺寸生长，而硅衬底100成本低廉，易于集成以及大尺寸生产，一般选取硅衬底100作为硅基发光二极管的衬底。在本实施例中，衬底为硅衬底100，其具有晶体品质高、尺寸大、成本低、易加工、导电性良好及热稳定性良好等优点，被广泛应用于硅基发光二极管的领域中。

另外，通常需要对硅衬底100进行表面预处理，以去除吸附在硅衬底100表面的杂质，例如水和氧，以免硅衬底100表面发生氧化或表面沾污。具体地，将硅衬底100置于金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)反应室中，将温度设置为1000-1150℃，通入氢气(H₂)、氨气(NH₃)，在高温下对硅衬底100处理4-15min。其中，金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)，简称MOCVD，是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延生长。

其中，硅衬底100上依次层叠了缓冲层200、N型半导体层300、发光层400、电子阻挡层500、P型半导体层600及接触层700，其中，缓冲层200包括依次层叠设置的石墨烯层210、第一AlN层220、SiN层230以及第二AlN层240，该石墨烯层210设于硅衬底100之上，石墨烯材料具有较高的热传导系数，在室温下其热传到系数可达5300W/mK，其可明显提高N型半导体层300与硅衬底100之间的热传导，一方面，石墨烯层210的热传导能力可以提高硅基发光二极管的散热能力，可以缓解其在工作过程中的热聚集，增加硅基发光二极管的可靠性。另一方面，石墨烯层210为新型二维纳米材料，其原子的排列与氮化镓材料的原子排列相似，石墨烯层210内分子之间原子通过sp2杂化组成六边形结构，性能稳定，与氮化镓材料的结构相似，能有效地提高N型半导体层300的外延质量。其中，石墨烯层210是使用气相沉积法(PECVD)生长厚度为1-6nm的石墨烯薄膜层。

在石墨烯层210上设有第一AlN层220，第一AlN层220为低温生长的AlN薄膜层，其生长温度为970-1015℃，厚度为10-20nm，第一AlN层220由于其低温生长形成三维成核层，提供了高密度的成核中心，降低了硅衬底100与第一AlN层220之间的自由能，奠定了缓冲层200的结晶质量，利于后续N型半导体层300的应力释放。

具体为，将温度设置为970-1015℃，压力调节至40-75Torr，在氢气的环境中，TMAl作为Al源，NH₃作为N源，NH₃的流量为3000-4500sccm，在石墨烯层210上外延生长厚度为10-20nm的第一AlN层220。

在第一AlN层220上设有SiN层230，该SiN层230的厚度为2-8nm，SiN层230将会阻挡位错向上延伸，即由于Si原子的原子直径小，可以填补位错的空白位置，可以将向上延伸的位错线填补，从而提高后续外延层的晶体质量。

具体为，将温度设置为1000-1200℃，压力调节至40-60Torr，在氢气的环境中，SiH₄作为Si源，NH₃作为N源，NH₃的流量为3000-4500sccm，在第一AlN层220上外延生长厚度为2-8nm的SiN层230。

在SiN层230上设有第二AlN层240，第二AlN层240为高温生长的AlN薄膜层，其生长温度为1070-1110℃，厚度为40-60nm，加速第一AlN层220三维成核层形成的岛之间的合并，形成高质量的缓冲层200。进一步降低N型半导体层300与硅衬底100之间的晶格失配和热失配，从而减少位错的产生和裂纹的产生。

具体为，将温度设置为1070-1110℃，压力调节至50-80Torr，在氢气的环境中，TMAl作为Al源，NH₃作为N源，NH₃的流量为2200-3400sccm，在SiN层230上外延生长厚度为40-60nm的第二AlN层240。

需要说明的是，本实施例中的缓冲层200，该缓冲层200依次包括石墨烯层210、第一AlN层220、SiN层230以及第二AlN层240，石墨烯层210的良好的热传导能力可以提高硅基发光二极管的散热能力，缓解其在工作过程中的热聚集，增加硅基发光二极管的可靠性，同时石墨烯层210的结构与氮化镓材料的结构相似，能有效地提高N型半导体层300的外延质量。第一AlN层220由于其低温生长形成三维成核层，提供了高密度的成核中心，降低了硅衬底100与第一AlN层220之间的自由能，奠定了缓冲层200的结晶质量，利于后续N型半导体层300的应力释放。SiN层230由于Si原子的原子直径小，可以填补位错的空白位置，可以将向上延伸的位错线填补，从而提高后续外延层的晶体质量。第二AlN层240加速第一AlN层220三维成核层形成的岛之间的合并，形成高质量的缓冲层200。进一步降低N型半导体层300与硅衬底100之间的晶格失配和热失配，从而减少位错的产生和裂纹的产生。在石墨烯层210、第一AlN层220、SiN层230以及第二AlN层240的共同作用下，以提高后续N型半导体层300的晶体质量，减少裂纹的出现，从而提高硅基发光二极管的良品率和可靠性，避免晶格失配和热失配会在氮化镓外延层中造成大量的缺陷和位错，引起氮化镓外延层的晶体质量差甚至产生裂纹，影响硅基发光二极管的良品率与可靠性。

另外，缓冲层200上设有N型半导体层300，其为厚度为2-3μm的N型掺杂GaN薄膜层，其中，N型半导体层300的掺杂剂为Si，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3-2×10¹⁸cm^-3，其生长温度为1000-1200℃。该N型半导体层300提供电子给发光层400，实现电子与空穴在发光层400中辐射复合，以达到硅基发光二极管发光。

N型半导体层300上设有发光层400，发光层400接受N型半导体提供的电子，以及P型半导体层600提供的空穴，在发光层400的多量子阱中实现电子与空穴的辐射复合发光。该发光层400为多量子阱结构，发光层400包括6-15个周期的InGaN阱层和AlGaN垒层，其中，InGaN阱层的厚度为3-3.7nm，其生长温度为780-920℃，生长压力为200-250Torr；AlGaN垒层的厚度为9-12nm，Al的组分占比为0.01-0.2，其生长温度为850-900℃，生长压力为200-250Torr。

其中，发光层400上设有电子阻挡层500，其用于阻挡N型半导体层300的电子迁移至P型半导体层600中，将电子阻挡至发光层400内，增强发光层400中电子与空穴的辐射复合效率。该电子阻挡层500为AlInGaN薄膜层，厚度为30-50nm，由于电子迁移速率大于空穴迁移速率，电子阻挡层500将有效的阻挡N型半导体层300的电子迁移至P型半导体层600中，减少在P型半导体层600中的电子与空穴的非辐射复合，从而提高了发光层400的多量子阱中的辐射复合，提高硅基发光二极管的发光效率。具体地，将温度设为900-1000℃之间，压力设为100-200Torr之间，在发光层400上外延生长厚度为30-50nm的电子阻挡层500。

在电子阻挡层500上设有P型半导体层600，P型半导体层600提供空穴给发光层400，实现电子与空穴在发光层400中辐射复合，以达到硅基发光二极管发光。该P型半导体层600为P型掺杂GaN薄膜层，其厚度15-30nm，其中，所述P型半导体层600的掺杂剂为Mg，具体地，将温度设为900-1000℃，压力设为200-300Torr，在电子阻挡层500上外延生长厚度为15-30nm的P型半导体层600。

另外，在P型半导体层600上设有接触层700，其用于与电极接合形成欧姆接触，有效地降低电压及提亮亮度，该接触层700是厚度为1-6nm的P型掺杂GaN薄膜层，其掺杂剂为Mg，生长温度为800-950℃。

相比于现有技术，本实施例提供的硅基发光二极管，有益效果在于：通过本实用新型提供的硅基发光二极管，在硅衬底与N型半导体层之间加入缓冲层，利于N型半导体层的生长，提高N型半导体层的晶体质量，具体为，缓冲层包括层叠设置的石墨烯层、第一AlN层、SiN层以及第二AlN层，石墨烯层的良好的热传导能力可以提高硅基发光二极管的散热能力，缓解其在工作过程中的热聚集，增加硅基发光二极管的可靠性，同时石墨烯层的结构与氮化镓材料的结构相似，能有效地提高N型半导体层的外延质量。第一AlN层由于其低温生长形成三维成核层，提供了高密度的成核中心，降低了硅衬底与第一AlN层之间的自由能，奠定了缓冲层的结晶质量，利于后续N型半导体层的应力释放。SiN层由于Si原子的原子直径小，可以填补位错的空白位置，可以将向上延伸的位错线填补，从而提高后续外延层的晶体质量。第二AlN层可加速第一AlN层三维成核层形成的岛之间的合并，形成高质量的缓冲层。在石墨烯层、第一AlN层、SiN层以及第二AlN层的共同作用下，提高缓冲层的晶体质量，以提高后续N型半导体层的晶体质量，减少裂纹的出现，从而提高硅基发光二极管的良品率和可靠性，避免晶格失配和热失配会在氮化镓外延层中造成大量的缺陷和位错，引起氮化镓外延层的晶体质量差甚至产生裂纹，影响硅基发光二极管的良品率与可靠性，从而解决了现有技术中硅衬底与氮化镓外延层之间存在较大的晶格失配和热失配，造成氮化镓外延层产生大量缺陷和位错的技术问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种硅基发光二极管，包括硅衬底，其特征在于，所述硅发光二极管还包括：

依次层叠于所述硅衬底之上的缓冲层、N型半导体层、发光层、电子阻挡层、P型半导体层及接触层；

其中，所述缓冲层包括依次层叠设置的石墨烯层、第一AlN层、SiN层以及第二AlN层，所述石墨烯层设于所述硅衬底之上，所述第一AlN层为低温生长的AlN层，所述第二AlN层为高温生长的AlN层。

2.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为1-6nm。

3.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述第一AlN层的厚度为10-20nm。

4.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述第二AlN层的厚度为40-60nm。

5.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述SiN层的厚度为2-8nm。

6.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述N型半导体层为N型掺杂GaN薄膜层，其厚度为2-3μm。

7.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述发光层为多量子阱结构，包括若干个周期的InGaN阱层和AlGaN垒层，其中，InGaN阱层的厚度为3-3.7nm，AlGaN垒层的厚度为9-12nm。

8.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层为AlInGaN薄膜层，其厚度为30-50nm。

9.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述P型半导体层为P型掺杂GaN薄膜层，其厚度15-30nm。

10.根据权利要求1所述的硅基发光二极管，其特征在于，所述接触层为P型掺杂GaN薄膜层，其厚度为1-6nm。

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