一種生長在金屬Al襯底上的LED外延片的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種生長在金屬Al襯底上的LED外延片，其包括金屬Al襯底、以金屬Al襯底(111)晶面為外延面，在金屬Al襯底上生長的Al2O3保護(hù)層，以及以晶體外延取向關(guān)系為GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，在Al2O3保護(hù)層上由下自上生長的U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層、p型GaN薄膜。本實(shí)用新型通過選擇合適的晶體取向，Al(111)襯底上獲得的高質(zhì)量GaN外延薄膜，以提高了LED的發(fā)光效率。
【專利說明】-種生長在金屬AI襯底上的LED外延片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法合成膜的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種生長 在金屬A1襯底上的LED外延片；主要應(yīng)用在各種介電層薄膜體聲波諧振器、邏輯電路、發(fā)光 二極管、光電薄膜器件，太陽能電池、光電二極管、光電探測器，激光器等領(lǐng)域。

【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(diǎn)，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(yán)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(duì)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(jì)，將成為經(jīng)濟(jì)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(jì)將是以LED 為代表的新型照明光源的時(shí)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(huì)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(qiáng)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(dá)到28 %并且還在進(jìn)一步的增長，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)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(huì)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模廣泛應(yīng)用，需要進(jìn)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(jià)格偏高。目前，LED芯片的發(fā)光效率不夠高，一個(gè)主要原因是由于其藍(lán) 寶石襯底造成的。由于藍(lán)寶石與GaN的晶格失配高達(dá)17%，導(dǎo)致外延GaN薄膜過程中形 成很高的位錯(cuò)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(jìn)而影響了 GaN 基器件的性能。其次，由于室溫下藍(lán)寶石熱膨脹系數(shù)（6. 63ΧΚΓ7Κ)較GaN的熱膨脹系數(shù) (5. 6X 1(Γ7Κ)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(huì)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(lán) 寶石的熱導(dǎo)率低（l〇〇°C時(shí)為0. 25W/cmK)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時(shí)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(lán)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(dòng)，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A1作為外延氮化物的襯底材料，具有三大其獨(dú)特的優(yōu)勢。第一，金屬A1有很 高的熱導(dǎo)率，A1的熱導(dǎo)率為2. 37W/cmK，可以將LED芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時(shí)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A1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(duì)器件的散熱有利；另外，可以將陰極 材料直接鍍?cè)诮饘僖r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A1襯底材料相對(duì)其他襯底，價(jià)格更便宜，可以極大地降 低器件的制造成本。正因?yàn)樯鲜鲋T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A1襯底在化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，當(dāng)外延溫度高于700°C的時(shí)候，外延氮化物 會(huì)與金屬襯底之間發(fā)生界面反應(yīng)，嚴(yán)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M0CVD或者M(jìn)BE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。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種生長在金屬A1襯底 上的LED外延片，通過選擇合適的晶體取向，Al (111)襯底上獲得的高質(zhì)量GaN外延薄膜， 以提高了 LED的發(fā)光效率。
[0008] 為解決上述問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下：
[0009] -種生長在金屬A1襯底上的LED外延片，其包括金屬A1襯底、以金屬A1襯底 (111)晶面為外延面，在金屬A1襯底上生長的A1 203保護(hù)層，以及以晶體外延取向關(guān)系為 GaN(0001) //A1203 (0001) //Al (111)，在 A1203保護(hù)層上由下自上生長的 U-GaN薄膜層、N-GaN 薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層、p型GaN薄膜。
[0010] 在A1襯底上直接外延GaN薄膜很困難，通過研究表明在先A1襯底生長一層A120 3 保護(hù)層，一方面可以防止Al離子擴(kuò)散到外延層中；另一方面A1203為外延生長GaN薄膜提供 有利的條件。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選的方案，所述A1 203保護(hù)層的厚度為15-25nm。所 述N-GaN薄膜層的厚度為3-6 μ m。
[0011] 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選的方案，所述InGaN/GaN多量子阱層包括7個(gè)周期生 長的7層InGaN阱層和7層壘層，所述InGaN為阱層和層壘層交錯(cuò)疊加；每層InGaN阱層厚 度為2-4nm，每層壘層厚度為10-15nm。
[0012] 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選的方案，所述p型GaN薄膜的厚度為320-360nm。
[0013] 一種生長在金屬Al襯底上的LED外延片的制備方法，其步驟如下：
[0014] 1)襯底的處理：選擇金屬A1做襯底，并對(duì)襯底表面拋光、清洗、退火處理；
[0015] 2)保護(hù)層生長：采用A1襯底的（111)面為外延面，在經(jīng)過步驟1)處理后的金屬 A1襯底上鋪一層A1層，待襯底溫度為650-750°C時(shí)通入02至形成A1203層，保溫20-40min， 獲得一層A1 203保護(hù)層；
[0016] 3)U-GaN薄膜外延生長：選擇的晶體外延取向關(guān)系為GaN(0001)//Al20 3(0001)// Al (111)，采用脈沖激光沉積法在A1203保護(hù)層上生長一層U-GaN薄膜；
[0017] 4)N-GaN薄膜的外延生長：采用脈沖激光沉積法在U-GaN薄膜上生長一層U-GaN 薄膜；
[0018] 5)InGaN/GaN多量子阱層的外延生長：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上生 長InGaN/GaN多量子阱層；
[0019] 6)p型GaN薄膜的外延生長：采用脈沖激光沉積法在InGaN/GaN多量子阱層上生 長p型GaN薄膜。
[0020] 步驟1)中，拋光具體工藝為：將A1襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合顯微鏡 觀察襯底表面，當(dāng)沒有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法對(duì)襯底再進(jìn)行拋光處理；清洗工 藝為：將襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除A1襯底表面粘污顆粒，再依次 經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物；清洗后的襯底用純度為99. 9999%的干燥氮 氣吹干；退火的具體過程為：將襯底A1放在壓強(qiáng)為2 X 10_1(lTorr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在 450-550°C下高溫烘烤lh以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。
[0021] 步驟3)中，采用脈沖激光沉積在A1203保護(hù)層表面生長出U-GaN薄膜的具體工藝 為：將襯底溫度降至650-750°C，用能量為3.0J/cm 2以及重復(fù)頻率為20Hz、λ = 248nm的 KrF準(zhǔn)分子激光PLD燒蝕純度為99. 9999%的Ga靶材，以射頻等離子體自由基發(fā)生器作為 氮源在A1N薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反應(yīng)室壓力為1Χ1(Γ 2Τοπ·，N2的體積百分比為 99. 9999%，V / III比為 50-60,控制 GaN 生長速度為 0. 4-0. 6ML/s。
[0022] 步驟4)具體步驟為：將襯底溫度降至500-600 °C，用純度為99. 9999 % 的Ga靶材和射頻等離子體自由基發(fā)生器作為氮源反應(yīng)生成N-GaN薄膜，反應(yīng)室壓力 1\10-2-4父10,〇1^、乂/111值40-50、生長速度為0.8-1.0厘178。步驟6)與步驟4)工藝條 件相同，在此處不再贅述。
[0023] 步驟5)所具體工藝為：在反應(yīng)室壓力lX10_5-5X10_5Torr、V /III值30-40、生長 速度0. 6-0. 8ML/s條件下，生長7個(gè)周期。
[0024] 本實(shí)用新型所述的生長在金屬A1襯底上的LED外延片在制備聲波諧振器、邏輯電 路、發(fā)光二極管、光電薄膜器件，太陽能電池、光電二極管、光電探測器、激光器放入介電層 薄膜的應(yīng)用。
[0025] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0026] 1.本實(shí)用新型使用了金屬A1作為襯底，用生長A1203保護(hù)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，可提高介電層薄膜 體聲波諧振器質(zhì)量；
[0027] 2.本實(shí)用新型使用了 A1作為襯底，其熱導(dǎo)率高約2. 37W/cm · K，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；另 外A1襯底容易獲得，價(jià)格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本；
[0028] 3.本實(shí)用新型采用的脈沖激光沉積工藝，由于產(chǎn)生的前驅(qū)物具有很高的動(dòng)能，可 有效縮短氮化物的形核時(shí)間，保證所獲得的單一性優(yōu)異的GaN薄膜；
[0029] 4.本實(shí)用新型制備出了高質(zhì)量的GaN薄膜，可以作為生長高質(zhì)量GaN基LED器件 的緩沖層材料，加之金屬的優(yōu)異的熱導(dǎo)率，可以作為制造 GaN基垂直結(jié)構(gòu)的LED器件，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 流廣生的熱量減小，對(duì)器件的散熱有利提1? 了載流子的福射復(fù)合效率，可大幅度提1?氣化 物器件如介電層薄膜體聲波諧振器、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管及太陽能電池的效率；
[0030] 5.本實(shí)用新型采用了低溫外延技術(shù)在A1襯底上先生長一層A1203保護(hù)層薄膜。在 低溫下能保證A1襯底的穩(wěn)定性，減少A1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GaN薄膜外延層打下良好基礎(chǔ)。
[0031] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本實(shí)用新型所述的生長在金屬A1襯底上的LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖2是本發(fā)明中實(shí)施例1制備的LED外延片的HRXRD圖譜；
[0034] 圖3是本發(fā)明中實(shí)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(shí)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(shí)施例2制備的LED外延片的HRXRD圖譜；
[0037] 圖6是本發(fā)明中實(shí)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(shí)施例2制備的LED外延片的電致發(fā)光圖譜；
[0039] 圖8是本發(fā)明中實(shí)施例3制備的LED外延片的HRXRD圖譜；
[0040] 圖9是本發(fā)明中實(shí)施例3制備的LED外延片的光致發(fā)光圖譜；
[0041] 圖10是本發(fā)明中實(shí)施例3制備的LED外延片的電致發(fā)光圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0042] 如圖1所示，本發(fā)明所述的生長在金屬A1襯底上的LED外延片，其包括金屬A1襯 底10、以金屬A1襯底（111)晶面為外延面，在金屬A1襯底10上生長的A1A保護(hù)層11，以 及以晶體外延取向關(guān)系為GaN (0001) z7A1203 (0001) //Al (111)，在A1203保護(hù)層11上由下自 上生長的U-GaN薄膜層12、N-GaN薄膜層13、InGaN/GaN多量子阱層14、p型GaN薄膜15。
[0043] 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在A1襯底上直接外延GaN薄膜很困難，通過研究表明在先A1襯底11 生長一層A1 203保護(hù)層12, 一方面可以防止A1離子擴(kuò)散到外延層中；另一方面A1203為外延 生長GaN薄膜提供有利的條件。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述A1 203保護(hù)層12的厚 度為15-25nm。所述N-GaN薄膜層13的厚度為3-6 μ m。
[0044] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述InGaN/GaN多量子阱層14包括7個(gè)周期生長 的7層InGaN阱層和7層壘層，所述InGaN為阱層和層壘層交錯(cuò)疊加；每層InGaN阱層厚度 為2-4nm，每層魚層厚度為10-15nm。
[0045] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述p型GaN薄膜15的厚度為320-360nm。
[0046] 以下是本發(fā)明具體的實(shí)施例。
[0047] 實(shí)施例1
[0048] 一種生長在金屬A1襯底上的LED外延片，其通過以下方法制備而成：
[0049] 1)襯底的處理：選擇金屬A1做襯底，并對(duì)襯底將A1襯底表面用金剛石泥漿進(jìn) 行拋光，配合顯微鏡觀察襯底表當(dāng)沒有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法對(duì)襯底再進(jìn)行 拋光處理；然后將清洗后的襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除A1襯底表 面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物；清洗后的襯底用純度為 99. 9999 %的干燥氮?dú)獯蹈?；最后將襯底A1放在壓強(qiáng)為2 X 10_1(lTorr的UHV-PLD的生長室 內(nèi)，在450°C下高溫烘烤lh以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫；
[0050] 2)保護(hù)層生長：采用A1襯底的（111)面為外延面，在經(jīng)過步驟1)處理后的金屬 A1襯底上鋪一層lnm厚的A1層，待襯底溫度為650°C時(shí)通入02至形成A1203層，保溫40min， 獲得一層厚度為15nm的A1 203保護(hù)層；
[0051] 3)U-GaN薄膜外延生長：選擇的晶體外延取向關(guān)系為GaN(0001)//Al20 3(0001)// A1 (111)，采用脈沖激光沉積法將襯底溫度降至650°C，用能量為3. OJ/cm2以及重復(fù)頻率為 20Ηζ、λ = 248nm的KrF準(zhǔn)分子激光PLD燒蝕純度為99. 9999%的Ga靶材，以射頻等離子 體自由基發(fā)生器作為氮源在A1N薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反應(yīng)室壓力為1 X l(T2T〇rr， N2的體積百分比為99. 9999%，V / III比為50,控制GaN生長速度為0. 4ML/s ;
[0052] 4)N_GaN薄膜的外延生長：采用脈沖激光沉積法將襯底溫度升至500°C，用純度為 99. 9999%的Ga靶材和射頻等離子體自由基發(fā)生器作為氮源反應(yīng)生成N-GaN薄膜，反應(yīng)室 壓力lX10-2Torr、V/m值40、生長速度為0·8ML/s ;N-GaN薄膜厚度3μm，其載流子的濃 度為 1 X 1019cnT3 ;
[0053] 5)InGaN/GaN多量子阱層的外延生長：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上， 反應(yīng)室壓力1.0Xl(T 5T〇rr、V /III值30、生長速度0. 6ML/s條件下，生長7個(gè)周期；所述 InGaN/GaN多量子阱層包括Ιηα?256&α 875Ν阱層和壘層，周期數(shù)為7,其中Inai25Gaa 875N阱層 為3nm，魚層為13nm ;
[0054] 6)p型GaN薄膜的外延生長：將襯底溫度降至500°C，采用脈沖激光沉積法在 InGaN/GaN多量子阱層上，用純度為99. 9999 %的Ga靶材和的射頻等離子體自由基發(fā)生器 作為氮源反應(yīng)生成N-GaN薄膜，反應(yīng)室壓力IX l(T2Torr、V / III值40、生長速度為0. 8ML/ s，其厚度約為320nm，其載流子濃度為2X1016cnT3。
[0055] 圖2是本實(shí)施例制備的LED外延片的HRXRD圖譜，從X射線回?cái)[曲線中可以看到， GaN(0002)的X射線回?cái)[曲線的半峰寬（FWHM)值低于0.06度，顯示出很高的結(jié)晶性能。
[0056] 圖3是本實(shí)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)WHM是22. 5nm，顯示出良好的光電性能。
[0057] 圖4是本實(shí)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，F(xiàn)WHM是22nm，顯示出了本發(fā)明LED器件的優(yōu)異的電學(xué)性能。
[0058] 應(yīng)用實(shí)施例1
[0059] 將實(shí)施例1制備的生長在金屬A1襯底上的LED外延片用于制備光電探測器：在本 實(shí)施例制備的生長在金屬A1襯底上的的A1 203保護(hù)層，A1203保護(hù)層上的A1N薄膜，A1N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IX 1019cnT3 ;非摻雜 GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2. 2 X 1016cm_3 ;P型摻鎂的GaN度約為1. 5 μ m。本實(shí) 施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66pA，并且器件在IV偏壓下，在361nm 處響應(yīng)度的最大值達(dá)到了 〇. 91A/W。
[0060] 應(yīng)用實(shí)施例2
[0061] 將實(shí)施例1制備的生長在金屬A1襯底上的LED外延片用于制備太陽能電池器件： 在本實(shí)施例制備的生長在金屬A1襯底上的A1203保護(hù)層，A120 3保護(hù)層上的A1N薄膜，A1N薄 膜上依次外延生長非摻雜GaN、InxGai_ xN緩沖層、N型摻硅InxGai_xN、P型摻鎂的In xGai_xN， X的值可以在o-o. 2之間可調(diào)，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)，具體制作步驟如 下：
[0062] 生長具有成分梯度的InxGai_xN緩沖層，然后生長N型摻硅In xGai_xN，外延層的厚 度約為5μπι，其載流子的濃度為lX10 19cnT3。接著生長InxGai_xN多量子阱層，厚度約為 300nm,周期數(shù)為20,其中In^Ga^N講層為SnnuIn^Ga^N魚層為10nm。再生長Mg摻雜 的P型Ir^GahN層，厚度約為200nm，其載流子濃度為2 X 1016cnT3,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。對(duì)所制備的InGaN太陽能電池器件進(jìn)行檢測。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(bào)道的應(yīng)用藍(lán)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。
[0063] 實(shí)施例2
[0064] 一種生長在金屬A1襯底上的LED外延片，其通過以下方法制備而成：
[0065] 1)襯底的處理：選擇金屬A1做襯底，并對(duì)襯底將A1襯底表面用金剛石泥漿進(jìn) 行拋光，配合顯微鏡觀察襯底表當(dāng)沒有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法對(duì)襯底再進(jìn)行 拋光處理；然后將清洗后的襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除A1襯底表 面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物；清洗后的襯底用純度為 99. 9999% (v% )的干燥氮?dú)獯蹈?；最后將襯底A1放在壓強(qiáng)為2X l〇-1QTorr的UHV-PLD的 生長室內(nèi)，在500°C下高溫烘烤lh以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫；
[0066] 2)保護(hù)層生長：采用A1襯底的（111)面為外延面，在經(jīng)過步驟1)處理后的金屬 A1襯底上鋪一層2nm厚的A1層，待襯底溫度為650°C時(shí)通入02至形成A1203層，保溫30min， 獲得一層厚度為15nm的A1203保護(hù)層；
[0067] 3)U_GaN薄膜外延生長：選擇的晶體外延取向關(guān)系為GaN(0001)//Al20 3(0001)// A1 (111)，采用脈沖激光沉積法將襯底溫度降至650°C，用能量為3. OJ/cm2以及重復(fù)頻率為 20Ηζ、λ = 248nm的KrF準(zhǔn)分子激光PLD燒蝕純度為99. 9999%的Ga靶材，以射頻等離子 體自由基發(fā)生器作為氮源在A1N薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反應(yīng)室壓力為1 X l(T2T〇rr， N2的體積百分比為99. 9999%，V / III比為50,控制GaN生長速度為0. 6ML/s ;
[0068] 4)N_GaN薄膜的外延生長：采用脈沖激光沉積法將襯底溫度升至500°C，用純度為 99. 9999%的Ga靶材和射頻等離子體自由基發(fā)生器作為氮源反應(yīng)生成N-GaN薄膜，反應(yīng)室 壓力4X 10_2Torr、V / III值40、生長速度為0· 8ML/s ;N-GaN薄膜厚度3 μ m，其載流子的濃 度為 1 X 1019cnT3 ;
[0069] 5) InGaN/GaN多量子阱層的外延生長：采用分子束外延法EMB在N-GaN薄膜上，反 應(yīng)室壓力5X l(T5Torr、V / III值30、生長速度0. 6ML/s條件下，生長7個(gè)周期；所述InGaN/ GaN多量子阱層包括Ιηα?256&α 875Ν阱層和壘層，周期數(shù)為7,其中Ιηα?256&α 875Ν阱層為3nm， 魚層為13nm ;
[0070] 6)p型GaN薄膜的外延生長：將襯底溫度降至600°C，采用脈沖激光沉積法在 InGaN/GaN多量子阱層上，用純度為99. 9999%的Ga靶材和射頻等離子體自由基發(fā)生器作 為氮源反應(yīng)生成N-GaN薄膜，反應(yīng)室壓力4X l(T2Torr、V / III值40、生長速度為0. 8ML/s， 其厚度約為350nm，其載流子濃度為2X 1016cnT3。
[0071] 圖5是本實(shí)施例制備的LED外延片的HRXRD圖譜，從X射線回?cái)[曲線中可以看到， GaN(0002)的X射線回?cái)[曲線的半峰寬（FWHM)值低于0.06度，顯示出很高的結(jié)晶性能。
[0072] 圖6是本實(shí)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)WHM是22. 5nm，顯示出良好的光電性能。
[0073] 圖7是本實(shí)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，F(xiàn)WHM是22nm，顯示出了本發(fā)明LED器件的優(yōu)異的電學(xué)性能。
[0074] 應(yīng)用實(shí)施例3
[0075] 將實(shí)施例2制備的生長在金屬A1襯底上的LED外延片用于制備光電探測器：在本 實(shí)施例制備的生長在金屬A1襯底上的的A1 203保護(hù)層，A1203保護(hù)層上的A1N薄膜，A1N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3μπι，其載流子的濃度為lX10 19cnT3 ;非摻雜 GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2. 2 X 1016cm_3 ;P型摻鎂的GaN度約為1. 5 μ m。本實(shí) 施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66pA，并且器件在IV偏壓下，在361nm 處響應(yīng)度的最大值達(dá)到了 〇. 91A/W。
[0076] 應(yīng)用實(shí)施例4
[0077] 將實(shí)施例2制備的生長在金屬A1襯底上的LED外延片用于制備太陽能電池器件： 在本實(shí)施例制備的生長在金屬A1襯底上的A1 203保護(hù)層，A1203保護(hù)層上的A1N薄膜，A1N薄 膜上依次外延生長非摻雜GaN、In xGai_xN緩沖層、N型摻硅InxGai_ xN、P型摻鎂的InxGai_xN， X的值可以在〇-〇. 2之間可調(diào)，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)，具體制作步驟如 下：
[0078] 生長具有成分梯度的InxGai_xN緩沖層，然后生長N型摻硅In xGai_xN，外延層的厚 度約為5μπι，其載流子的濃度為lX10 19cnT3。接著生長InxGai_xN多量子阱層，厚度約為 300nm,周期數(shù)為20,其中In^Ga^N講層為SnnuIn^Ga^N魚層為10nm。再生長Mg摻雜 的P型Ir^GahN層，厚度約為200nm，其載流子濃度為2 X 1016cnT3,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。對(duì)所制備的InGaN太陽能電池器件進(jìn)行檢測，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(bào)道的應(yīng)用藍(lán)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。
[0079] 實(shí)施例3
[0080] 一種生長在金屬A1襯底上的LED外延片，其通過以下方法制備而成：
[0081] 1)襯底的處理：選擇金屬A1做襯底，并對(duì)襯底將A1襯底表面用金剛石泥漿進(jìn) 行拋光，配合顯微鏡觀察襯底表當(dāng)沒有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法對(duì)襯底再進(jìn)行 拋光處理；然后將清洗后的襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除A1襯底表 面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物；清洗后的襯底用純度為 99. 9999 %的干燥氮?dú)獯蹈?；最后將襯底A1放在壓強(qiáng)為2 X 10_1(lTorr的UHV-PLD的生長室 內(nèi)，在550°C下高溫烘烤lh以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫；
[0082] 2)保護(hù)層生長：采用A1襯底的（111)面為外延面，在經(jīng)過步驟1)處理后的金屬 A1襯底上鋪一層lnm厚的A1層，待襯底溫度為750°C時(shí)通入02至形成A1203層，保溫40min， 獲得一層厚度為25nm的A1 203保護(hù)層；
[0083] 3)U_GaN薄膜外延生長：選擇的晶體外延取向關(guān)系為GaN(0001)//Al20 3(0001)// A1 (111)，采用脈沖激光沉積法將襯底溫度降至650°C，用能量為3. OJ/cm2以及重復(fù)頻率為 20Ηζ、λ = 248nm的KrF準(zhǔn)分子激光PLD燒蝕純度為99. 9999%的Ga靶材，以工作壓力為 1.5Xl(T6T〇rr的射頻等離子體自由基發(fā)生器作為氮源在A1N薄膜上生成U-GaN薄膜；其 中，反應(yīng)室壓力為lXl(Γ2Torr，N2的體積百分比為99·9999%，V/m比為50，控制GaN生 長速度為〇. 4ML/s ;
[0084] 4)N_GaN薄膜的外延生長：采用脈沖激光沉積法將襯底溫度升至500°C，用純度為 99. 9999%的Ga靶材和射頻等離子體自由基發(fā)生器作為氮源反應(yīng)生成N-GaN薄膜，反應(yīng)室 壓力4X10_2Torr、V /III值40、生長速度為0.8ML/s ;N-GaN薄膜厚度3-6μπι，其載流子的 濃度為 1X l〇19cm_3 ;
[0085] 5) InGaN/GaN多量子阱層的外延生長：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上，反 應(yīng)室壓力5X l(T5Torr、V / III值30、生長速度0. 6ML/s條件下，生長7個(gè)周期；所述InGaN/ GaN多量子阱層包括Ιηα?256&α 875Ν阱層和壘層，周期數(shù)為7,其中Ιηα?256&α 875Ν阱層為3nm， 魚層為13nm ;
[0086] 6)p型GaN薄膜的外延生長：將襯底溫度升至500°C，采用脈沖激光沉積法在 InGaN/GaN多量子阱層上，用純度為99. 9999%的Ga靶材和射頻等離子體自由基發(fā)生器作 為氮源反應(yīng)生成N-GaN薄膜，反應(yīng)室壓力4X l(T2Torr、V / III值40、生長速度為0. 8ML/s， 其厚度約為360nm，其載流子濃度為2X 1016cnT3。
[0087] 圖8是本實(shí)施例制備的LED外延片的HRXRD圖譜，從X射線回?cái)[曲線中可以看到， GaN(0002)的X射線回?cái)[曲線的半峰寬（FWHM)值低于0.06度，顯示出很高的結(jié)晶性能。
[0088] 圖9是本實(shí)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)WHM是22. 5nm，顯示出良好的光電性能。
[0089] 圖10是本實(shí)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，F(xiàn)WHM是22nm，顯示出了本發(fā)明LED器件的優(yōu)異的電學(xué)性能。
[0090] 應(yīng)用實(shí)施例5
[0091] 將實(shí)施例3制備的生長在金屬A1襯底上的LED外延片用于制備光電探測器：在本 實(shí)施例制備的生長在金屬A1襯底上的的A1203保護(hù)層，A120 3保護(hù)層上的A1N薄膜，A1N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IX 1019cnT3 ;非摻雜 GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2. 2 X 1016cm_3 ;P型摻鎂的GaN度約為1. 5 μ m。本實(shí) 施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66pA，并且器件在IV偏壓下，在361nm 處響應(yīng)度的最大值達(dá)到了 〇. 91A/W。
[0092] 應(yīng)用實(shí)施例6
[0093] 將實(shí)施例3制備的生長在金屬A1襯底上的LED外延片用于制備太陽能電池器件： 在本實(shí)施例制備的生長在金屬A1襯底上的A1 203保護(hù)層，A1203保護(hù)層上的A1N薄膜，A1N薄 膜上依次外延生長非摻雜GaN、In xGai_xN緩沖層、N型摻硅InxGai_ xN、P型摻鎂的InxGai_xN， X的值可以在〇-〇. 2之間可調(diào)，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)，具體制作步驟如 下：
[0094] 生長具有成分梯度的InxGai_xN緩沖層，然后生長N型摻硅In xGai_xN，外延層的厚 度約為5μπι，其載流子的濃度為lX10 19cnT3。接著生長InxGai_xN多量子阱層，厚度約為 300nm,周期數(shù)為20,其中In^Ga^N講層為SnnuIn^Ga^N魚層為10nm。再生長Mg摻雜 的P型Ir^GahN層，厚度約為200nm，其載流子濃度為2 X 1016cnT3,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。對(duì)所制備的InGaN太陽能電池器件進(jìn)行檢測，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(bào)道的應(yīng)用藍(lán)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。 上述實(shí)施方式僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，不能以此來限定本實(shí)用新型保護(hù)的范圍， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型的基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性的變化及替換均屬于本實(shí) 用新型所要求保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種生長在金屬A1襯底上的LED外延片，其特征在于：其包括金屬A1襯底、以金屬 A1襯底（111)晶面為外延面，在金屬A1襯底上生長的A1203保護(hù)層，以及以晶體外延取向關(guān) 系為GaN (0001) z7A1203 (0001) //Al (111)，在A1203保護(hù)層上由下自上生長的U-GaN薄膜層、 N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層、p型GaN薄膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述保護(hù)層的厚度為15-25nm，所 述N-GaN薄膜層的厚度為3-6 μ m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱層包括 7個(gè)周期生長的7層InGaN阱層和7層壘層，所述InGaN為阱層和層壘層交錯(cuò)疊加；每層 InGaN阱層厚度為2-4nm，每層壘層厚度為10-15nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述p型GaN薄膜的厚度為 320_360nm。
【文檔編號(hào)】H01L33/02GK203895485SQ201420289063
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)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(qiáng) 申請(qǐng)人:廣州市眾拓光電科技有限公司