生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制作方法

专利名称：生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及非极性多量子阱，特别涉及生长在LiGaO2衬底上的非极多量子阱。
背景技术：
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种普通照明、指示、显示、装饰、背光源、和城市夜景等领域。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。III族氮化物半导体材料GaN是制造高效LED器件最为理想的材料。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，与突光灯相比，GaN基LED不含有毒的萊元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。LED要真正实现大规模广泛应用，需要进一步提高LED芯片的发光效率。虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但是商业化LED发光效率还是低于钠灯(1501m/W)，单位流明/瓦的价格偏高。目前，LED芯片的发光效率不够高，一个主要原因是由于其蓝宝石衬底造成的。基于蓝宝石衬底的LED技术存在两个严峻的问题。首先，蓝宝石与GaN晶格的失配率高达17%，如 此高的晶格失配使得蓝宝石上的LED外延片有很高的缺陷密度，大大影响了 LED芯片的发光效率。其次，蓝宝石衬底价格十分昂贵，使得氮化物LED生产成本很高(蓝宝石衬底在LED的制作成本中占有相当大的比例)。LED芯片的发光效率不够高的另外一个主要原因是由于目前广泛使用的GaN基LED具有极性。目前制造高效LED器件最为理想的材料是GaN。GaN为密排六方晶体结构，其晶面分为极性面c面[(0001)面]和非极性面a面[(11-20)面]及m面[(1-100)面]。目前，GaN基LED大都基于GaN的极性面构建而成。在极性面GaN上，Ga原子集合和N原子集合的质心不重合，从而形成电偶极子，产生自发极化场和压电极化场，进而引起量子束缚斯塔克效应(Quantum-confined Starker Effect, QCSE),使电子和空穴分离,载流子的福射复合效率降低，最终影响LED的发光效率，并造成LED发光波长的不稳定。解决这一问题最好的办法是采用非极性面的GaN材料制作LED，以消除量子束缚斯塔克效应的影响。理论研究表明，使用非极性面GaN来制造LED，将可使LED发光效率提高近一倍。由此可见，要使LED真正实现大规模广泛应用，提高LED芯片的发光效率，并降低其制造成本，最根本的办法就是研发新型衬底上的非极性GaN基LED外延芯片。而非极性InGaN/GaN量子阱的制作是实现非极性GaN基LED的前提条件，因此新型衬底上外延生长非极性InGaN/GaN量子阱一直是研究的热点和难点。

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LiGaOjf底上的非极性InGaN/GaN量子阱，具有缺陷密度低、结晶质量好，发光性能优良的优点。本实用新型的另一目的在于提供上述非极性InGaN/GaN量子阱的制备方法。本实用新型的目的通过以下技术方案实现:生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、非极性InGaN/GaN量子阱层。所述LiGaO2衬底的晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2 0.5。。所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为3(T60nm ;所述非极性m面GaN外延层的厚度为15(T250nm ;所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5 10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2 3nm ;GaN垒层的厚度为l(Tl3nm。生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤:(I)采用LiGaO2衬底，选取晶体取向；(2)对衬底进行退火处理:将衬底在90(Γ1000 下烘烤3 5h后空冷至室温；(3)对衬底进行表面清洁处理；(4)采用低温分 子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为:衬底温度为22(T350°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5 7 X IO^torr,产生等离子体氮的射频功率为200-300W，V / III比为50 60、生长速度为0.4 0.6ML/s ；(5)采用脉冲激光沉积工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为:衬底温度升至450-550°C，采用脉冲激光轰击Ga靶材，通入N等离子体，射频功率为200-300W，反应室压力为3 5Xl(T5torr，激光能量为12(Tl80mJ，频率为1(Γ30Ηζ ；(6)采用分子束外延工艺生长非极性InGaN/GaN多量子阱，工艺条件为:衬底温度为50(T750°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5 7 X IO^torr,产生等离子体氮的射频功率为20(T300W。步骤(3)所述对衬底进行表面清洁处理，具体为:将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5 10分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤,去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至85(T90(TC，烘烤2(Γ30分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果:(I)本实用新型使用LiGaO2作为衬底，同时采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长一层非极性m面GaN缓冲层，获得衬底与非极性m面GaN外延层之间很低的晶格失配度，有利于沉积低缺陷的非极性GaN薄膜，极大的提高了量子阱的发光效率。(2)采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长一层非极性m面GaN缓冲层，在低温下能保证LiGaO2衬底的稳定性，减少锂离子的挥发造成的晶格失配和剧烈界面反应，从而为下一步生长非极性m面GaN外延层打下良好基础。[0023](3)采用分子束外延工艺制备出非极性InGaN/GaN多量子阱薄膜，消除了极性面GaN带来的量子束缚斯塔克效应，提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率。(4)使用LiGaO2作为衬底，容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。

图1为实施例1制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的截面示意图。图2为实施例1制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的XRD测试图。图3为实施例1制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的PL谱测试图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。实施例1本实用新型生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤:(I)选取衬底以及晶体取向:采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2°。
(2)对衬底进行退火处理:将衬底在900°C下烘烤3h后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理:将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用闻纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至850°C，烘烤20分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为:衬底温度为220°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5 X 10_5tOrr、产生等离子体氮的射频功率为200W，V / III比为50、生长速度为0.4ML/s。(5)采用脉冲激光沉积工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为:衬底温度升至450°C，采用脉冲激光轰击Ga靶材，同时通入N等离子体，射频功率为200W，反应室压力为3X10_5torr、激光能量为120mJ，激光频率为10Hz。(6)采用分子束外延工艺生长非极性InGaN/GaN多量子阱，周期为5个，厚度为2nmInGaN阱层/IOnm GaN垒层，工艺条件为:衬底温度为500°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5X 10_5torr、射频功率为200W，V / III比为50、生长速度为0.4ML/s。如图1所示，本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱示意图，包括生长在LiGaO2衬底11上的非极性m面GaN缓冲层12，生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层13以及生长在非极性GaN外延层上的非极性InGaN/GaN多量子阱14。其中，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30nm ;所述非极性m面GaN外延层的厚度为150nm ;所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2nm ;GaN垒层的厚度为10nm。图2为本实施例制备的生长在LiGaO2衬底(100)面上的非极性InGaN/GaN多量子阱的XRD测试图。测试得到InGaN/GaN量子阱卫星峰，其最强峰为GaN，其半峰宽(FWHM)值低于0.1°，左右旁边依次为第一级卫星峰，第二级卫星峰，...，最后计算得到的量子阱层2nm，垒层10nm。表明本实用新型制备的非极性InGaN/GaN多量子阱无论是在缺陷密度还是在结晶质量，都具有非常好的性能。图3为本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的在温度为室温下PL谱测试图。由图可知，温度为293K下PL谱测试得到发光峰波长为444nm，半峰宽为26.6nm。表明本实用新型制备的非极性GaN薄膜在光学性质上具有非常好的性能。实施例2本实用新型生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤:(I)选取衬底以及晶体取向:采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.5°。(2)对衬底进行退火处理:将衬底在1000°C下高温烘烤5h后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理:将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗10分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用闻纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至900°C，烘烤30分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。(4)采用低温 分子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为:衬底温度为350°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为7 X 10_5tOrr、产生等离子体氮的射频功率为300W, V / III比为60，生长速度为0.6ML/s。(5)采用脉冲激光沉积工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为:衬底温度升至550°C，采用脉冲激光轰击Ga靶材，同时通入N等离子体，射频功率为300W，反应室压力5X10_5torr、激光能量为180mJ，激光频率为30Hz。(6)采用分子束外延工艺生长非极性InGaN/GaN多量子阱，周期为10个，厚度为3nm InGaN阱层/13nm GaN垒层，工艺条件为:衬底温度为750°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为7X10_5torr、射频功率为300W，V /III比为60、生长速度为0.6ML/s。本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、非极性InGaN/GaN量子阱层其中，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为60nm ;所述非极性m面GaN外延层的厚度为250nm ;所述非极性InGaN/GaN量子阱层为10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3nm ；GaN垒层的厚度为13nm。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，其特征在于，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、非极性InGaN/GaN量子阱层。
2.根据权利要求1所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，其特征在于，所述LiGaO2衬底的晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2、.5°。
3.根据权利要求1所述的生 长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，其特征在于，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为3(T60nm ;所述非极性m面GaN外延层的厚度为15(T250nm ；所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5 10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2 3nm ;GaN垒层的厚度为l(Tl3nm。
专利摘要本实用新型公开了生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、极性InGaN/GaN量子阱层。与现有技术相比，本实用新型具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的非极性InGaN/GaN量子阱缺陷密度低、结晶质量好，光学性能好。
文档编号H01L33/06GK203085628SQ201220684250
公开日2013年7月24日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者李国强, 杨慧 申请人:华南理工大学