生长在w衬底上的led外延片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了生长在W衬底上的LED外延片，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN薄膜，生长在n型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜。本实用新型的LED外延片缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。
【专利说明】生长在W衬底上的LED外延片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及LED外延片，特别涉及一种生长在金属钨(W)衬底上的LED外延片。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达17%,导致外延GaN薄膜过程中形成很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，进而影响了 GaN基器件的性能。其次，由于室温下蓝宝石热膨胀系数(6.63 X 1-67K)较GaN的热膨胀系数(5.6XlO-6A)大，两者间的热失配度约为_18.4%，当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。再次，由于蓝宝石的热导率低(100°C时为0.25W/cmK)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。此外，由于蓝宝石是绝缘体，不能制作垂直结构半导体器件。因此电流在器件中存在横向流动，导致电流分布不均匀，产生较多热量，很大程度上影响了 GaN基LED器件的电学和光学性质。
[0005]因此迫切需要寻找一种热导率高、可以快速地将LED节区的热量传递出来的材料作为衬底。而金属W作为外延氮化物的衬底材料，具有三大其独特的优势。第一，金属W有很高的热导率，W的热导率为1.74W/cmK，可以将LED芯片内产生的热量及时的传导出，以降低器件的节区温度，一方面提高器件的内量子效率，另一方面有助于解决器件散热问题。第二，金属W可以作为生长GaN基垂直结构的LED器件的衬底材料，可直接在衬底上镀阴极材料，P-GaN上镀阳极材料，使得电流几乎全部垂直流过GaN-基的外延层，因而电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，电流产生的热量减小，对器件的散热有利；另外，可以将阴极材料直接镀在金属衬底上，不需要通过腐蚀P-GaN层和有源层将电极连在N-GaN层，这样充分利用了有源层的材料。第三，金属W衬底材料相对其他衬底，价格更便宜，可以极大地降低器件的制造成本。正因为上述诸多优势，金属衬底现已被尝试用作III族氮化物外延生长的衬底材料。
[0006]但是金属W衬底在高温下化学性质不稳定，当外延温度高于600°C的时候，外延氮化物会与金属衬底之间发生界面反应，严重影响了外延薄膜生长的质量。III族氮化物外延生长的先驱研究者、著名科学家Akasaki等人就曾尝试应用传统的MOCVD或者MBE技术直接在化学性质多变的衬底材料上外延生长氮化物，结果发现薄膜在高温下外延相当困难。
实用新型内容
[0007]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W衬底上的LED外延片，具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的LED外延片缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。
[0008]本实用新型的目的通过以下技术方案实现:
[0009]生长在W衬底上的LED外延片，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的η型掺杂GaN薄膜，生长在η型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜；
[0010]所述AlN缓冲层为在400?500°C生长的AlN缓冲层；所述非掺杂GaN层为在500?700°C生长的非掺杂GaN层；所述η型掺杂GaN薄膜为在700?800°C生长的η型掺杂GaN薄膜；所述InGaN/GaN量子阱为在700?800°C生长的InGaN/GaN量子阱；所述p型掺杂GaN薄膜为在700?800°C生长的p型掺杂GaN薄膜。
[0011]所述W衬底以(110)面为外延面。
[0012]所述AlN缓冲层的厚度为80?10nm ;所述非掺杂GaN层的厚度为2?4 μ m ;所述η型掺杂GaN薄膜的厚度为3?5 μ m ;所述InGaN/GaN量子阱为7?10个周期的InGaN讲层/GaN鱼层，其中InGaN讲层的厚度为2?3nm ；GaN鱼层的厚度为10?13nm ;所述p型掺杂GaN薄膜的厚度为300?400nm。
[0013]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果:
[0014](I)本实用新型使用了金属W作为衬底，用过生长AlN缓冲层可以获得岛状的AlN为外延高质量的GaN薄膜提供形核中心，有利于沉积高质量低缺陷的GaN薄膜，有望极大的提高了 LED的发光效率。
[0015](2)本实用新型使用了 W作为衬底，W衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。
[0016](3)本实用新型采用MBE和PLD结合的方法，生长出低温高质量的GaN基薄膜，制备出高质量的大功率LED外延片。应用MBE生长有源层，其他层的外延则采用低温的PLD技术，这样在较低的温度下就可以完成薄膜的生长，避免了高温界面反应，为制备高质量低缺陷的薄膜提供了保障。
[0017](4)本实用新型制备出了高质量的LED外延片，可以作为生长GaN基垂直结构的LED器件的衬底材料，使得电流几乎全部垂直流过GaN-基的外延层，因而电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，电流产生的热量减小，对器件的散热有利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。
[0018](5)本实用新型制备采用热导率较高的金属W作为衬底，能够迅速地将器件内的热量传导出来，一方面提高器件的内量子效率，另一方面助于解决器件散热问题，有利于提高LED器件的寿命。
[0019](6)本实用新型采用了低温外延技术在W衬底上先生长一层80?10nm的低温(400?500°C ) AlN缓冲层。在低温下能保证W衬底的稳定性，减少W离子的挥发造成的晶格失配和剧烈界面反应，从而为下一步的高质量外延层打下良好基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是实施例1制备的LED外延片的截面示意图。
[0021 ] 图2是实施例1制备的η型掺杂GaN薄膜(GaN(0002))的XRD图谱。
[0022]图3是实施例1制备的LED外延片的光致发光(PL)图谱。
[0023]图4是实施例1制备的LED外延片的电致发光(EL)图谱。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例，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。
[0025]实施例1
[0026]本实施例的生长在W衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤:
[0027](I)衬底以及其晶向的选取:外延衬底采用W衬底，以(110)面为外延面，选择的晶体外延取向关系:Α1Ν(0001)//W(110)，AlN[ll-20]//ff[001]o 金属 W(OOOl)衬底与AlN(OOOl)间的晶格失配度较低，保证了衬底与外延之间的晶格匹配，能生长出高质量的AlN薄膜。
[0028](2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理:
[0029]所述衬底表面抛光，具体为:
[0030]首先将W衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察，直到衬底表当面没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理，已达到要求。
[0031]所述衬底表面抛光，具体为:
[0032]将衬底W放在压强为2 X KTltlTorr的超真空PLD的生长室内，在850°C下高温烘烤Ih以除去衬底表面的污染物。然后空冷至400?500°C。该退火处理可使衬底获得原子级平整的表面。
[0033]所述清洗，具体为:
[0034]将衬底放入去离子水中室温下超声清洗3分钟，去除W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；清洗后的衬底用高纯干燥氮气吹干。
[0035](3)AlN缓冲层的外延生长:将衬底温度升至400°C，反应室压力为lX10_5Torr、
V/ III比为50、生长速度为0.4ML/S ;用能量为1.3J/cm2以及重复频率为30Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm, t = 20ns)的条件下生长厚度为80nm的AlN缓冲层。
[0036](4)非掺杂GaN层的外延生长:采用PLD外延生长，将衬底温度升至500°C，在反应室压力4X l(T5Torr、V / III值40、生长速度0.6ML/s条件下，生长GaN薄膜。在步骤(3)得到的AlN缓冲层上生长厚度为2 μ m的非掺杂GaN薄膜。
[0037](5)n型掺杂GaN薄膜的外延生长:采用PLD技术外延生长，将衬底温度升至700°C，在反应室压力4X10_5Torr、V / III值60、生长速度0.8ML/s条件下，在步骤(4)得到的非掺杂GaN层上生长厚度为3 μ m的η型掺杂GaN薄膜。
[0038](6) InGaN/GaN多量子讲的外延生长:米用MBE生长多量子讲，在反应室压力3X 10_5Torr、V / III值30、生长速度0.4ML/s条件下，在步骤(5)得到的η型掺杂GaN薄膜上生长InGaN/GaN多量子阱；所述InGaN/GaN量子阱为7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1nm ；
[0039](7)P型掺杂GaN薄膜的外延生长:采用PLD技术外延生长，将衬底温度升至700°C，在反应室压力3Xl(T5Torr、V / III值40、生长速度0.6ML/s条件下，在步骤(6)得到的InGaN/GaN多量子阱上生长厚度为300nm的p型掺杂GaN薄膜。
[0040]如图1所示，本实施例制备的生长在金属W衬底上的LED外延片，包括生长在金属W衬底10上的AlN缓冲层11，生长在AlN缓冲层11上的非掺杂GaN层12，生长在非掺杂GaN层12上的η型掺杂GaN薄膜13，生长在η型掺杂GaN薄膜13上的InGaN/GaN量子阱14，生长在InGaN/GaN量子阱14上的p型掺杂GaN薄膜15。
[0041]图2是实施例1制备的η型掺杂GaN薄膜的XRD图谱。从X射线回摆曲线中可以看到，GaN的FWHM值低于0.1° ;表明在W(OOOl)面上外延生长出了高质量高质量的η型掺杂GaN薄膜。
[0042]图3是实施例1制备的LED外延片的PL图谱。从图中测试表明GaN的光致发光波长在462nm，FffHM是22.5nm,显示出良好的光电性能。
[0043]图4是实施例1制备的LED外延片的EL图谱。从图中看出发光波长是465nm，FWHM是22nm，显示出了本实用新型LED器件的优异的电学性能。
[0044]实施例2
[0045]本实施例的生长在W衬底上的LED外延片的制备方法，包括以下步骤:
[0046](I)衬底以及其晶向的选取:外延衬底采用W衬底，以(110)面为外延面，选择的晶体外延取向关系:A1N(0001)//W(110)，AlN[ll-20]//ff[001]o 金属 W(OOOl)衬底与AlN(OOOl)间的晶格失配度较低，保证了衬底与外延之间的晶格匹配，能生长出高质量的AlN薄膜。
[0047](2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理:
[0048]所述衬底表面抛光，具体为:
[0049]首先将W衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察，直到衬底表当面没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理，已达到要求。
[0050]所述衬底表面抛光，具体为:
[0051]将衬底W放在压强为2X 10_1(lTorr的超真空PLD的生长室内，在950°C下高温烘烤2h以除去衬底表面的污染物。然后空冷至400?500°C。该退火处理可使衬底获得原子级平整的表面。
[0052]所述清洗，具体为:
[0053]将衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除W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；清洗后的衬底用高纯干燥氮气吹干。
[0054](3)AlN缓冲层的外延生长:将衬底温度升至500°C，反应室压力为3X10_5Torr、
V/ III比为60、生长速度为0.6ML/S ;用能量为1.3J/cm2以及重复频率为30Hz的KrF准分子激光U = 248nm, t = 20ns)的条件下生长厚度为10nm的AlN缓冲层。
[0055](4)非掺杂GaN层的外延生长:采用PLD外延生长，将衬底温度升至700°C，在反应室压力5X 10_5Torr、V / III值60、生长速度0.8ML/s条件下，生长GaN薄膜。在步骤(3)得到的AlN缓冲层上生长厚度为4 μ m的非掺杂GaN薄膜。
[0056](5)n型掺杂GaN薄膜的外延生长:采用PLD技术外延生长，将衬底温度升至800°C，在反应室压力5X10_5Torr、V / III值80、生长速度1.0ML/s条件下，在步骤(4)得到的非掺杂GaN层上生长厚度为5 μ m的η型掺杂GaN薄膜。
[0057](6) InGaN/GaN多量子讲的外延生长:米用MBE生长多量子讲，在反应室压力5X 10_5Torr、V / III值40、生长速度0.6ML/s条件下，在步骤(5)得到的η型掺杂GaN薄膜上生长InGaN/GaN多量子阱；所述InGaN/GaN量子阱为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 ；
[0058](7)P型掺杂GaN薄膜的外延生长:采用PLD技术外延生长，将衬底温度升至800°C，在反应室压力4X10_5Torr、V / III值50、生长速度0.8ML/s条件下，在步骤(6)得到的InGaN/GaN多量子阱上生长厚度为400nm的p型掺杂GaN薄膜。
[0059]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W衬底上的LED外延片，其特征在于，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的η型掺杂GaN薄膜，生长在η型掺杂GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN薄膜； 所述AlN缓冲层为在400?500°C生长的AlN缓冲层；所述非掺杂GaN层为在500?700°C生长的非掺杂GaN层；所述η型掺杂GaN薄膜为在700?800°C生长的η型掺杂GaN薄膜；所述InGaN/GaN量子阱为在700?800°C生长的InGaN/GaN量子阱；所述p型掺杂GaN薄膜为在700?800°C生长的p型掺杂GaN薄膜。
2.根据权利要求1所述的生长在W衬底上的LED外延片，其特征在于，所述W衬底以(110)面为外延面。
3.根据权利要求1所述的生长在W衬底上的LED外延片，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为80?10nm ;所述非掺杂GaN层的厚度为2?4 μ m ;所述η型掺杂GaN薄膜的厚度为3?5 μ m ;所述InGaN/GaN量子阱为7?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10?13nm ;所述p型掺杂GaN薄膜的厚度为 300 ?400nm。
【文档编号】H01L33/12GK203983319SQ201420368773
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】李国强, 王文樑, 刘作莲, 杨为家, 林云昊, 周仕忠, 钱慧荣 申请人:华南理工大学