生長在Cu襯底的LED外延片及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生長在Cu襯底的LED外延片，包括Cu襯底、AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜，所述AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜依次生長在Cu襯底上。本發(fā)明在金屬Cu新型襯底上采用低溫生長工藝外延生長GaN薄膜，獲得了高質(zhì)量LED外延片；采用的金屬Cu襯底，生長工藝簡單、價格便宜，可大幅度降低器件的制造成本；通過選擇合適的晶體取向，Cu(111)襯底上獲得的高質(zhì)量GaN外延薄膜，可大幅度提高氮化物器件如光電探測器的效率。
【專利說明】生長在Cu襯底的LED外延片及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種LED外延片，特別是涉及一種生長在Cu襯底的LED外延片及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)作為一種新型固體照明光源和綠色光源，具有體積小、耗電量低、環(huán)保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點，在室外照明、商業(yè)照明以及裝飾工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節(jié)約能源、減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題。以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟，將成為經(jīng)濟發(fā)展的重要方向。在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是現(xiàn)階段LED的應(yīng)用成本較高，發(fā)光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。
[0003]III族氮化物GaN在電學(xué)、光學(xué)以及聲學(xué)上具有極其優(yōu)異的性質(zhì)，近幾年受到廣泛關(guān)注。GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低，擊穿介電強度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發(fā)光效率現(xiàn)在已經(jīng)達到28 %并且還在進一步的增長，該數(shù)值遠遠高于目前通常使用的白熾燈(約為2 % )或熒光燈(約為10% )等照明方式的發(fā)光效率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，我國目前的照明用電每年在4100億度以上，超過英國全國一年的用電量。如果用LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，可節(jié)省接近一半的照明用電，超過三峽工程全年的發(fā)電量。因照明而產(chǎn)生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與熒光燈相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用壽命約為此類照明工具的100倍。
[0004]LED要真正實現(xiàn)大規(guī)模廣泛應(yīng)用，需要進一步提高LED芯片的發(fā)光效率。雖然LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過日光燈和白熾燈，但是商業(yè)化LED發(fā)光效率還是低于鈉燈(1501m/W)，單位流明/瓦的價格偏高。目前，LED芯片的發(fā)光效率不夠高，一個主要原因是由于其藍寶石襯底造成的。由于藍寶石與GaN的晶格失配高達17%,導(dǎo)致外延GaN薄膜過程中形成很高的位錯密度，從而降低了材料的載流子遷移率，縮短了載流子壽命，進而影響了 GaN基器件的性能。其次，由于室溫下藍寶石熱膨脹系數(shù)(6.63Χ10_7Κ)較GaN的熱膨脹系數(shù)(5.6XlO-6A)大，兩者間的熱失配度約為_18.4%，當(dāng)外延層生長結(jié)束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，容易導(dǎo)致薄膜和襯底的龜裂。再次，由于藍寶石的熱導(dǎo)率低(100°C時為0.25W/cmK)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時排出，導(dǎo)致熱量積累，使器件的內(nèi)量子效率降低，最終影響器件的性能。此外，由于藍寶石是絕緣體，不能制作垂直結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件。因此電流在器件中存在橫向流動，導(dǎo)致電流分布不均勻，產(chǎn)生較多熱量，很大程度上影響了 GaN基LED器件的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。
[0005]因此迫切尋找一種熱導(dǎo)率高可以快速地將LED節(jié)區(qū)的熱量傳遞出來的材料作為襯底。而金屬Cu作為外延氮化物的襯底材料，具有四大其獨特的優(yōu)勢。第一，金屬Cu有很高的熱導(dǎo)率，Cu的熱導(dǎo)率為4.19W/cmK，可以將LED芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時的傳導(dǎo)出，以降低器件的節(jié)區(qū)溫度，一方面提高器件的內(nèi)量子效率，另一方面有助于解決器件散熱問題。第二，金屬Cu可以作為生長GaN基垂直結(jié)構(gòu)的LED器件的襯底材料，可直接在襯底上鍍陰極材料，P-GaN上鍍陽極材料，使得電流幾乎全部垂直流過GaN-基的外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產(chǎn)生的熱量減小，對器件的散熱有利；另外，可以將陰極材料直接鍍在金屬襯底上，不需要通過腐蝕P-GaN層和有源層將電極連在N-GaN層，這樣充分利用了有源層的材料。第三，金屬Cu襯底材料相對其他襯底，價格更便宜，可以極大地降低器件的制造成本，。第四，光滑的金屬Cu表面可以反射經(jīng)過襯底表面的光，從而提高LED的出光效率。正因為上述諸多優(yōu)勢，金屬襯底現(xiàn)已被嘗試用作III族氮化物外延生長的襯底材料。
[0006]但是金屬Cu襯底在化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，當(dāng)外延溫度高于620°C的時候，外延氮化物會與金屬襯底之間發(fā)生界面反應(yīng)，嚴重影響了外延薄膜生長的質(zhì)量。III族氮化物外延生長的先驅(qū)研究者、著名科學(xué)家Akasaki等人就曾嘗試應(yīng)用傳統(tǒng)的MOCVD或者MBE技術(shù)直接在化學(xué)性質(zhì)多變的襯底材料上外延生長氮化物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄膜在高溫下外延相當(dāng)困難。如何在Cu襯底生長高質(zhì)量的LED外延片仍是一個技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種生長在Cu襯底的LED外延片及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明在金屬Cu新型襯底上采用低溫生長工藝外延生長GaN薄膜，獲得了高質(zhì)量LED外延片；采用的金屬Cu襯底，生長工藝簡單、價格便宜，可大幅度降低器件的制造成本；通過選擇合適的晶體取向，Cu(Ill)襯底上獲得的高質(zhì)量GaN外延薄膜，可大幅度提高氮化物器件如光電探測器的效率。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0009]生長在Cu襯底的LED外延片，包括Cu襯底、AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜，所述AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜依次生長在Cu襯底上。
[0010]優(yōu)選的，所述Cu襯底以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為Α1Ν[11-20]//Cu[l-10]。
[0011]優(yōu)選的，所述AlN緩沖層厚度為IOOnm ;所述U-GaN薄膜層厚度為200_350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3-5nm, GaN壘層厚度為10_15nm，周期數(shù)為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300_400nm。
[0012]生長在Cu襯底的LED外延片的制備方法，其特征在于，包括:
[0013]I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0014]2)襯底表面處理:對Cu襯底表面進行拋光、清洗以及退火處理；
[0015]3)在步驟2)處理后的Cu襯底上依次進行AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟2)中拋光處理是將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光至沒有劃痕后，再采用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；所述清洗處理是將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3-5min后，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，最后用高純干燥氮氣吹干；所述退火處理是將Cu襯底放入壓強為2X 10_lclTorr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在550_650°C空氣中高溫處理l_2h，然后冷卻至室溫。
[0017]優(yōu)選的，所述AlN緩沖層的外延生長工藝為:襯底溫度400-600°C，反應(yīng)室壓力為8-10 X KT3Torr, V / III比為 50-60，生長速度為 0.4-0.6ML/s ；
[0018]所述U-GaN薄膜層的外延生長工藝為:采用PLD技術(shù)，襯底溫度600-800°C，反應(yīng)室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 50-60，生長速度 0.6-0.8ML/s ；
[0019]所述N-GaN薄膜層的外延生長工藝為:采用PLD技術(shù)，襯底溫度400-500°C，反應(yīng)室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 30-40，生長速度 0.7-0.8ML/s ；
[0020]所述InGaN/GaN多量子阱層的外延生長工藝為:采用MBE技術(shù)，反應(yīng)室壓力1-5 X KT5Torr, V / III值 30-35、生長速度 0.5-0.6ML/s ；
[0021]所述P-GaN薄膜的外延生長工藝為:襯底溫度450-500 °C，反應(yīng)室壓力
3.5-4X KT3Torr、V / III值 35-40、生長速度 0.6-0.8ML/s。
[0022]優(yōu)選的，所述AlN緩沖層厚度為IOOnm ;所述U-GaN薄膜層厚度為200_350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3-5nm, GaN壘層厚度為10_15nm，周期數(shù)為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300_400nm。
[0023]生長在Cu襯底的LED外延片在光電探測器中的應(yīng)用。
[0024]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于:
[0025]1、本發(fā)明使用了金屬Cu作為襯底，用過生長AlN緩沖層可以獲得襯底與GaN外延層之間很低的晶格失配度，有利于沉積高質(zhì)量低缺陷的GaN薄膜，極大的提高了 LED的發(fā)光效率；
[0026]2、本發(fā)明使用了 Cu作為襯底，Cu襯底容易獲得，價格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本；
[0027]3、本發(fā)明采用MBE和PLD結(jié)合的方法，生長出低溫高質(zhì)量的GaN基薄膜，制備出高質(zhì)量的大功率LED外延片；應(yīng)用MBE生長有源層，其他層的外延則采用低溫的PLD技術(shù)，這樣在較低的溫度下就可以完成薄膜的生長，避免了高溫界面反應(yīng)，為制備高質(zhì)量低缺陷的薄膜提供了保障；
[0028]4、本發(fā)明制備出了高質(zhì)量的LED外延片，可以作為生長GaN基垂直結(jié)構(gòu)的LED器件的襯底材料，使得電流幾乎全部垂直流過GaN-基的外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產(chǎn)生的熱量減小，對器件的散熱有利提高了載流子的輻射復(fù)合效率，可大幅度提高氮化物器件如光電探測器的效率；
[0029]5、本發(fā)明制備采用熱導(dǎo)率較高的金屬Cu作為襯底，能夠迅速地將器件內(nèi)的熱量傳導(dǎo)出來，一方面提高器件的內(nèi)量子效率，另一方面助于解決器件散熱問題，有利于提高LED器件的壽命；
[0030]6、本發(fā)明采用了低溫外延技術(shù)在Cu襯底上先生長一層IOOnm的低溫AlN緩沖層；在低溫下能保證Cu襯底的穩(wěn)定性，減少Cu離子的揮發(fā)造成的晶格失配和劇烈界面反應(yīng)，從而為下一步的高質(zhì)量外延層打下良好基礎(chǔ)；
[0031]綜上所述，本發(fā)明技術(shù)生長襯底非常規(guī)，生長工藝獨特而簡單易行，具有可重復(fù)性、外延生長的GaN基LED外延片缺陷密度低、晶體質(zhì)量高，電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于LED器件、半導(dǎo)體光電探測器、太陽能電池器件等領(lǐng)域，便于推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明中生長在Cu襯底的LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2是本發(fā)明中實施例1制備的LED外延片的HRXRD圖譜；
[0034]圖3是本發(fā)明中實施例1制備的LED外延片的光致發(fā)光圖譜；
[0035]圖4是本發(fā)明中實施例1制備的LED外延片的電致發(fā)光圖譜；
[0036]圖5是本發(fā)明中實施例2制備的LED外延片的HRXRD圖譜；
[0037]圖6是本發(fā)明中實施例2制備的LED外延片的光致發(fā)光圖譜；
[0038]圖7是本發(fā)明中實施例2制備的LED外延片的電致發(fā)光圖譜；
[0039]其中，I為Cu襯底、2為AlN緩沖層、3為U-GaN薄膜層、4為N-GaN薄膜層、5為InGaN/GaN多量子阱層6為P-GaN薄膜。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0041]如圖1所示，為本發(fā)明中生長在Cu襯底的LED外延片，包括Cu襯底1、A1N緩沖層2、U-GaN薄膜層3、N-GaN薄膜層4、InGaN/GaN多量子阱層5和P-GaN薄膜6，所述AlN緩沖層2、U-GaN薄膜層3、N-GaN薄膜層4、InGaN/GaN多量子阱層5和P-GaN薄膜6依次生長在Cu襯底I上。
[0042]優(yōu)選方案中，所述Cu襯底I以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為AlN[11-20] //Cu [1-10];所述AlN緩沖層厚度為IOOnm ；所述U-GaN薄膜層厚度為200-350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3-5nm，GaN壘層厚度為10_15nm，周期數(shù)為5-10 ;所述Ρ-GaN薄膜厚度為300_400nmo
[0043]實施例1
[0044]生長在Cu襯底的LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
[0045]I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0046]2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再米用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；其次,將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5min，去除Cu襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；最后，將Cu襯底放入壓強為2 X IO^10Torr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在550°C空氣中高溫處理Ih，然后冷卻至室溫。
[0047]3)在步驟2)處理后的Cu襯底上依次進行AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
[0048]AlN緩沖層的外延生長:將Cu(Ill)襯底10溫度降至550°C，反應(yīng)室壓力為IOXlO^Torr, V / III比為50，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248_3 = 20118)?0)燒蝕4故靶材(99.99% )，在沉積AlN緩沖層時，生長室內(nèi)壓力N2 (99.9999% )保持在10 X KT3Torr，生長速度0.6ML/s條件下生長IOOnm的低溫AlN緩沖層；
[0049]U-GaN薄膜層采用PLD外延生長，將襯底溫度升至700 °C，在反應(yīng)室壓力4X10_3Torr、V /III值40、生長速度0.8ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發(fā)生器被用來作為氮源在AlN緩沖層上反應(yīng)生成厚度為200nm的U-GaN薄膜層。
[0050]N-GaN薄膜層采用PLD外延生長，其外延層的厚度為5000nm，其載流子的濃度為IXlO1W0生長條件是溫度降至500°C，在反應(yīng)室壓力4X l(T3Torr、V /III值40、生長速度
0.8ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248nm,t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發(fā)生器被用來作為氮源在N-GaN薄膜層上反應(yīng)生成N-GaN薄膜層。
[0051]InGaN/GaN多量子阱層采用MBE外延生長，溫度升至750 °C，在反應(yīng)室壓力4X10_5Torr、V /III值40、生長速度0.6ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發(fā)生器被用來作為氮源反應(yīng)生成InGaN/GaN多量子阱層，其中InGaN阱層為3nm,魚層為13nm,生長7個周期數(shù),厚度為112nm.[0052]P-GaN薄膜采用PLD外延生長，溫度降至500°C，在反應(yīng)室壓力4X 10_lclTorr、
V/III值40、生長速度0.8ML/S條件下，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發(fā)生器被用來作為氮源在InGaN/GaN多量子阱層上反應(yīng)生成P-GaN薄膜，厚度為350nm，其載流子濃度為2X 1016cm_3，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸，即制得生長在Cu襯底的LED外延片。
[0053]圖2是本實施例制備的LED外延片的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低于0.06度，顯示出很高的結(jié)晶性能。
[0054]圖3是本實施例制備的LED外延片的光致發(fā)光圖譜，從光致發(fā)光中可以看到，光致發(fā)光波長在442nm，F(xiàn)ffHM是22.5nm,顯示出良好的光電性能。
[0055]圖4是本實施例制備的LED外延片的電致發(fā)光圖譜，從圖中看出發(fā)光波長是432nm, FffHM是22nm，顯示出了本發(fā)明LED器件的優(yōu)異的電學(xué)性能。
[0056]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用于制備半導(dǎo)體光電探測器:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、N型摻硅GaN、P型摻鎂的GaN，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。其中N型摻硅GaN厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X IO19CnT3 ;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為
2.2 X IO1W3丨型摻鎂的GaN度約為1.5μπι。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66ρΑ，并且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應(yīng)度的最大值達到了 0.91A/W。
[0057] 將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用于制備太陽能電池器件:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、InxGa1^xN緩沖層、N型摻硅InxGai_xN、P型摻鎂的InxGa1J,最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。其中生長具有成分梯度的InxGahN緩沖層X的值可以在0-0.2之間可調(diào)，然后生長N型摻硅InxGa1A外延層的厚度約為5 μ m,其載流子的濃度為I X IO1W30接著生長InxGapxN多量子講層，厚度約為300nm，周期數(shù)為20，其中Ina2Gaa8N講層為3nm，Inatl8Gaa92N壘層為10nm。再生長Mg摻雜的P型InxGa^xN層，厚度約為200nm，其載流子濃度為2 X IO16cnT3,最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在此基礎(chǔ)上通過在N2氣氛下退火，提高了 P型InGaN薄膜的載流子濃度和遷移率；即制備得InGaN太陽能電池器件。
[0058]檢測結(jié)果顯示，無論是性質(zhì)還是在應(yīng)用上，均優(yōu)于目前已經(jīng)報道的應(yīng)用藍寶石襯底獲得的LED的相關(guān)結(jié)果，具有良好的應(yīng)用前景。
[0059]實施例2
[0060]生長在Cu襯底的LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
[0061]I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0062]2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再米用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；其次,將Cu襯底放入去離子 水中室溫下超聲清洗4min，去除Cu襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；最后，將Cu襯底放入壓強為2X IO^10Torr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在650°C空氣中高溫處理2h，然后冷卻至室溫。
[0063]3)在步驟2)處理后的Cu襯底上依次進行AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
[0064]AlN緩沖層的外延生長:將Cu(Ill)襯底10溫度降至550°C，反應(yīng)室壓力為IOXlO^Torr, V / III比為60，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248_3 = 20118)?0)燒蝕4故靶材(99.99% )，在沉積AlN緩沖層時，生長室內(nèi)壓力N2 (99.9999% )保持在10 X KT3Torr，生長速度0.6ML/s條件下生長IOOnm的低溫AlN緩沖層；
[0065]U-GaN薄膜層采用PLD外延生長，將襯底溫度升至700 °C，在反應(yīng)室壓力
3.5 X IO^3Torr, V / III值40、生長速度0.75ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發(fā)生器被用來作為氮源在AlN緩沖層上反應(yīng)生成厚度為300nm的U-GaN薄膜層。
[0066]N-GaN薄膜層采用PLD外延生長，其外延層的厚度為4500nm，其載流子的濃度為IXlO1W0生長條件是溫度降至500°C，在反應(yīng)室壓力4X IO-4Torr、V /III值40、生長速度
0.8ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248nm,t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發(fā)生器被用來作為氮源在N-GaN薄膜層上反應(yīng)生成N-GaN薄膜層。
[0067]InGaN/GaN多量子阱層采用MBE外延生長，溫度升至750 °C，在反應(yīng)室壓力I X 10_5Torr、V / III值40、生長速度0.6ML/s條件下，生長InGaN/GaN多量子阱層，其中InGaN講層為3nm,魚層為13nm,生長7個周期數(shù),厚度為112nm.[0068]P-GaN薄膜采用PLD外延生長，溫度降至500°C，在反應(yīng)室壓力3.5X 10_5Torr、
V/III值40、生長速度0.7ML/S條件下，用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為20Hz的KrF準分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發(fā)生器被用來作為氮源在InGaN/GaN多量子阱層上反應(yīng)生成P-GaN薄膜，厚度為400nm，其載流子濃度為2X 1016cm_3，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸，即制得生長在Cu襯底的LED外延片。
[0069] 圖5是本實施例制備的LED外延片的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低于0.06度，顯示出很高的結(jié)晶性能。
[0070]圖6是本實施例制備的LED外延片的光致發(fā)光圖譜，從光致發(fā)光中可以看到，光致發(fā)光波長在442nm，F(xiàn)ffHM是22.5nm,顯示出良好的光電性能。
[0071]圖7是本實施例制備的LED外延片的電致發(fā)光圖譜，從圖中看出發(fā)光波長是432nm, FffHM是22nm，顯示出了本發(fā)明LED器件的優(yōu)異的電學(xué)性能。
[0072]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用于制備半導(dǎo)體光電探測器:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、N型摻硅GaN、P型摻鎂的GaN，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。其中P型摻硅GaN厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X IO19CnT3 ;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為
2.2 X IO1W3丨型摻鎂的GaN度約為1.5μπι。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66ρΑ，并且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應(yīng)度的最大值達到了 0.91A/W。
[0073]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用于制備太陽能電池器件:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、InxGa1^xN緩沖層、N型摻硅InxGai_xN、P型摻鎂的InxGa1J,最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。其中生長具有成分梯度的InxGahN緩沖層X的值可以在0-0.2之間可調(diào)，然后生長N型摻硅InxGa1A外延層的厚度約為5 μ m,其載流子的濃度為I X IO1W30接著生長InxGapxN多量子講層，厚度約為300nm，周期數(shù)為20，其中Ina2Gaa8N講層為3nm，Inatl8Gaa92N壘層為10nm。再生長Mg摻雜的P型InxGa^xN層，厚度約為200nm，其載流子濃度為2 X IO16cnT3,最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在此基礎(chǔ)上通過在N2氣氛下退火，提高了 P型InGaN薄膜的載流子濃度和遷移率；即制備得InGaN太陽能電池器件。
[0074]檢測結(jié)果顯示，無論是性質(zhì)還是在應(yīng)用上，均優(yōu)于目前已經(jīng)報道的應(yīng)用藍寶石襯底獲得的LED外延片的相關(guān)結(jié)果，具有良好的應(yīng)用前景。
[0075]對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.生長在Cu襯底的LED外延片，其特征在于，包括Cu襯底、AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜，所述AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜依次生長在Cu襯底上。
2.如權(quán)利要求1所述的生長在Cu襯底的LED外延片，其特征在于，所述Cu襯底以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為AlN[ll-20]//Cu[l-10]。
3.如權(quán)利要求1所述的生長在Cu襯底的LED外延片，其特征在于，所述AlN緩沖層厚度為IOOnm ;所述U-GaN薄膜層厚度為200_350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ；所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3_5nm，GaN壘層厚度為10_15nm，周期數(shù)為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300_400nm。
4.權(quán)利要求1所述生長在Cu襯底的LED外延片的制備方法，其特征在于，包括: 1)襯底以及其晶向的選取:米用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]； 2)襯底表面處理:對Cu襯底表面進行拋光、清洗以及退火處理； 3)在步驟2)處理后的Cu襯底上依次進行AlN緩沖層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中拋光處理是將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光至沒有劃痕后，再采用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；所述清洗處理是將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3-5min后，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，最后用高純干燥氮氣吹干；所述退火處理是將Cu襯底放入壓強為2X 10_1(lTorr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在550-650°C空氣中高溫處理l_2h，然后冷卻至室溫。
6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于: 所述AlN緩沖層的外延生長工藝為:襯底溫度400-600 °C，反應(yīng)室壓力為8-10 X IO^3Torr, V /III比為 50-60，生長速度為 0.4-0.6ML/s ； 所述U-GaN薄膜層的外延生長工藝為:采用PLD技術(shù)，襯底溫度600-800°C，反應(yīng)室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 50-60，生長速度 0.6-0.8ML/s ； 所述N-GaN薄膜層的外延生長工藝為:采用PLD技術(shù)，襯底溫度400-500°C，反應(yīng)室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 30-40，生長速度 0.7-0.8ML/s ； 所述InGaN/GaN多量子阱層的外延生長工藝為:采用MBE技術(shù)，反應(yīng)室壓力1-5 X KT5Torr, V / III值 30-35、生長速度 0.5-0.6ML/s ； 所述P-GaN薄膜的外延生長工藝為:襯底溫度450-500 °C，反應(yīng)室壓力3.5-4X KT3Torr、V / III值 35-40、生長速度 0.6-0.8ML/s。
7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述AlN緩沖層厚度為IOOnm;所述U-GaN薄膜層厚度為200-350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3_5nm，GaN壘層厚度為10_15nm，周期數(shù)為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300-400nm。
8.權(quán)利要求1-7任一項所述生長在Cu襯底的LED外延片在LED器件、半導(dǎo)體光電探測器、太陽能電池器件中的應(yīng)用。
【文檔編號】H01L33/00GK103996758SQ201410240589
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司