本發(fā)明涉及InGaN/GaN多量子阱及制備方法，特別涉及生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱及制備方法。

背景技術(shù)：

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(zhǎng)、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(shì)。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。

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(zhǎng)，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。

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，同時(shí)降低LED芯片的價(jià)格。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(150lm/W)，單位流明/瓦的價(jià)格偏高。目前大多數(shù)GaN基LED都是基于藍(lán)寶石和SiC襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)，大尺寸的藍(lán)寶石和SiC襯底價(jià)格昂貴，導(dǎo)致LED制造成本高。因此迫切尋找一種價(jià)格低廉的襯底材料應(yīng)用于外延生長(zhǎng)GaN薄膜及InGaN/GaN多量子阱。

眾所周知，制備高質(zhì)量的InGaN/GaN多量子阱是高效高質(zhì)量GaN基LED外延片的基礎(chǔ)，因此，在價(jià)格低廉的玻璃襯底上制備高質(zhì)量InGaN/GaN多量子阱一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱，具有缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好，發(fā)光性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱的制備方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱，包括生長(zhǎng)在玻璃襯底上的鋁金屬層，生長(zhǎng)在鋁金屬層上的銀金屬層，生長(zhǎng)在銀金屬層上的AlN緩沖層，生長(zhǎng)在AlN緩沖層上的GaN緩沖層，生長(zhǎng)在GaN緩沖層上的非摻雜GaN層，生長(zhǎng)在非摻雜GaN層上的InGaN/GaN量子阱。

所述鋁金屬層厚度為150～200μm。

所述銀金屬層的厚度為100～300nm。

所述AlN緩沖層的厚度為5～50nm。

所述GaN緩沖層的厚度為50～80nm。

所述非摻雜GaN層的厚度為200～300nm。

所述InGaN/GaN量子阱為7～10個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為2～3nm；GaN壘層的厚度為10～13nm。

所述的生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)玻璃襯底表面拋光、清洗處理；

(2)鋁金屬層的生長(zhǎng)：在分子束外延系統(tǒng)中，在玻璃襯底溫度為400～600℃條件下，沉積鋁金屬層；

(3)銀金屬層的生長(zhǎng)：在分子束外延系統(tǒng)中，采用分子束外延系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)功能，在襯底溫度為400～600℃條件下，沉積銀金屬層；

(4)AlN緩沖層的生長(zhǎng)：襯底溫度為450～550℃，在反應(yīng)室的壓力為4.0～7.2×10^-5Pa、生長(zhǎng)速度為0.2～0.8ML/s的條件下沉積金屬鋁薄膜，然后采用氮等離體子源對(duì)該金屬鋁薄膜進(jìn)行氮化，等離體子源的功率為300～450W，氮?dú)饬髁繛?～5sccm，氮化時(shí)間為10～50分鐘，獲得AlN薄膜，有利于進(jìn)行后續(xù)GaN緩沖層的生長(zhǎng)；

(5)GaN緩沖層外延生長(zhǎng)：襯底溫度為450～550℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0～7.2×10^-5Pa、束流比V/III值為50～60、生長(zhǎng)速度為0.4～0.6ML/s的條件下生長(zhǎng)GaN緩沖層；在450～550℃生長(zhǎng)緩沖層，可以有效的使GaN在AlN表面形核，同時(shí)為外延生長(zhǎng)提供足夠多的生長(zhǎng)能量；

(6)非摻雜GaN層的外延生長(zhǎng)：采用分子束外延生長(zhǎng)工藝，襯底溫度為500～600℃，在反應(yīng)室的壓力為4.0～5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30～40、生長(zhǎng)速度為0.6～0.8ML/s條件下，在GaN緩沖層上生長(zhǎng)非摻雜GaN層；

(7)InGaN/GaN多量子阱的外延生長(zhǎng)：采用分子束外延生長(zhǎng)工藝，襯底溫度為750～850℃，在反應(yīng)室的壓力為4.0～5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30～40、生長(zhǎng)速度為0.4～0.6ML/s條件下，在非摻雜GaN層上生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱。

步驟(1)所述拋光，具體為：

首先將玻璃襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理。

步驟(1)所述清洗，具體為：

將玻璃襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3～5分鐘，去除玻璃襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物，用干燥氮?dú)獯蹈伞?/p>

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明的生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱，能有效的減少位錯(cuò)的形成，制備出高質(zhì)量InGaN/GaN多量子阱薄膜，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半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管及太陽能電池的發(fā)光效率。

(2)本發(fā)明的生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱，在進(jìn)行玻璃襯底去除之后，鋁金屬層具有作為支撐層、導(dǎo)電、導(dǎo)熱的功能；銀金屬層具有光線發(fā)射的功能。在預(yù)先沉積鋁金屬、銀金屬層上進(jìn)行InGaN/GaN多量子阱薄膜的生長(zhǎng)，為制備低成本、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、高發(fā)光性能光電器件奠定了基礎(chǔ)。

(3)本發(fā)明使用玻璃作為襯底，玻璃襯底容易獲得，價(jià)格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本。

(4)本發(fā)明的銀金屬可作為反射鏡，如果采用該InGaN/GaN多量子阱制備發(fā)光器件，可大幅度提高發(fā)光效率；如果采用該InGaN/GaN多量子阱薄膜制備太陽電池，可提高光吸收率，提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

(5)本發(fā)明采用玻璃襯底，具有容易去除的優(yōu)點(diǎn)，然后在去除玻璃襯底后的InGaN/GaN多量子阱薄膜上制作電極，從而可以有利于制備垂直結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)光電器件。

(6)本發(fā)明采用在銀金屬層上沉積一層金屬鋁薄膜，然后進(jìn)行氮化處理，形成AlN層，有利于后續(xù)GaN的生長(zhǎng)，克服了無法在非晶態(tài)的玻璃襯底上直接生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱的技術(shù)難題；采用了低溫(450～550℃)外延技術(shù)在AlN緩沖層上先外延生長(zhǎng)一層GaN緩沖層，通過生長(zhǎng)GaN緩沖層可以獲得島狀GaN，為下一步沉積高質(zhì)量低缺陷的非摻雜GaN薄膜做鋪墊；高質(zhì)量非摻雜GaN薄膜有利于后期高質(zhì)量InGaN/GaN多量子阱的外延生長(zhǎng)；高質(zhì)量InGaN/GaN多量子阱薄膜，由于半峰寬數(shù)值小，位錯(cuò)密度低，有利于提高載流子的輻射復(fù)合效率，可大幅度提高氮化物器件的發(fā)光效率，有望制備出高效LED的器件。

(7)本發(fā)明的生長(zhǎng)工藝獨(dú)特而簡(jiǎn)單易行，具有可重復(fù)性。

(8)本發(fā)明可通過摻入不同的組分調(diào)制出耐高溫的玻璃襯底。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1制備的InGaN/GaN多量子阱的截面示意圖。

圖2是實(shí)施例1制備的InGaN/GaN多量子阱的PL譜測(cè)試圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

圖1所示是本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱的截面示意圖，如圖所示包括生長(zhǎng)在玻璃襯底10上的鋁金屬層11，生長(zhǎng)在鋁金屬層11上的銀金屬層12，生長(zhǎng)在銀金屬層12上的AlN緩沖層13，生長(zhǎng)在AlN緩沖層13上的GaN緩沖層14，生長(zhǎng)在GaN緩沖層14上的非摻雜GaN層15，生長(zhǎng)在非摻雜GaN層15上的InGaN/GaN多量子阱16。

本實(shí)施例的生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底的選?。翰捎闷胀úＡбr底；

(2)襯底表面拋光、清洗處理；

所述襯底表面拋光，具體為：

首先將玻璃襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理；

所述清洗，具體為：

將玻璃襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3分鐘，去除玻璃襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物，用高純干燥氮?dú)獯蹈桑?/p>

(3)鋁金屬層的生長(zhǎng)：在分子束外延系統(tǒng)中，在襯底溫度為400℃條件下，沉積厚度為150μm的鋁金屬層；

(4)銀金屬層的生長(zhǎng)：在分子束外延系統(tǒng)中，采用分子束外延系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)功能，在襯底溫度為400℃條件下，沉積厚度為100nm厚度的銀金屬層；

(5)AlN緩沖層的生長(zhǎng)：襯底溫度為500℃，在反應(yīng)室的壓力為4.0×10^-5Pa、生長(zhǎng)速度為0.2ML/s的條件下沉積厚度為10nm的金屬鋁薄膜，然后采用氮等離體子源對(duì)該金屬鋁薄膜進(jìn)行氮化，氮等離體子源的功率為300W，氮?dú)饬髁繛?.5sccm，氮化時(shí)間為10分鐘，獲得AlN薄膜；

(6)GaN緩沖層外延生長(zhǎng)：襯底溫度為500℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-5Pa、束流比V/III值為50、生長(zhǎng)速度為0.4ML/s的條件下生長(zhǎng)厚度為50nm的GaN緩沖層；

(7)非摻雜GaN層的外延生長(zhǎng)：采用分子束外延生長(zhǎng)工藝，襯底溫度為500℃，在反應(yīng)室的壓力為4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長(zhǎng)速度0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN緩沖層上生長(zhǎng)厚度為200nm的非摻雜GaN薄膜。

(8)InGaN/GaN多量子阱的外延生長(zhǎng)：采用分子束外延生長(zhǎng)工藝，襯底溫度為750℃，反應(yīng)室的壓力為4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長(zhǎng)速度為0.6ML/s條件下，在步驟(5)得到的非摻雜GaN層生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱，所述InGaN/GaN量子阱為7個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為2nm；GaN壘層的厚度為10nm。

圖2是本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱的PL譜測(cè)試圖，由圖可知，溫度為293K下PL譜測(cè)試得到發(fā)光峰波長(zhǎng)為453nm，半峰寬為23.3nm。表明本發(fā)明制備的InGaN/GaN多量子阱薄膜具有非常好的光學(xué)性能。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的生長(zhǎng)在玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底的選?。翰捎闷胀úＡбr底；

(2)襯底表面拋光、清洗處理；

所述襯底表面拋光，具體為：

首先將玻璃襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理；

所述清洗，具體為：

將玻璃襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除玻璃襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物，用高純干燥氮?dú)獯蹈桑?/p>

(3)鋁金屬層的生長(zhǎng)：在分子束外延系統(tǒng)中，在襯底溫度為600℃條件下，沉積厚度為200μm的鋁金屬層；

(4)銀金屬層的生長(zhǎng)：在分子束外延系統(tǒng)中，采用分子束外延系統(tǒng)中的電子束蒸發(fā)功能，在襯底溫度為600℃條件下，沉積厚度為300nm厚度的銀金屬層；

(5)AlN緩沖層的生長(zhǎng)：襯底溫度為550℃，在反應(yīng)室的壓力為7.2×10^-5Pa、生長(zhǎng)速度為0.2ML/s的條件下沉積厚度為20nm的金屬鋁薄膜，然后采用氮等離體子源對(duì)該金屬鋁薄膜進(jìn)行氮化，氮等離體子功率為300W，氮?dú)饬髁繛?.5sccm，氮化時(shí)間為20分鐘，獲得AlN薄膜。

(6)GaN緩沖層外延生長(zhǎng)：襯底溫度為550℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-5Pa、束流比V/III值為50、生長(zhǎng)速度為0.4ML/s的條件下生長(zhǎng)厚度為50nm的GaN緩沖層；

(7)非摻雜GaN層的外延生長(zhǎng)：采用分子束外延生長(zhǎng)工藝，襯底溫度為600℃，在反應(yīng)室的壓力為4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長(zhǎng)速度0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN緩沖層上生長(zhǎng)厚度為200nm的非摻雜GaN薄膜。

(8)InGaN/GaN多量子阱的外延生長(zhǎng)：采用分子束外延生長(zhǎng)工藝，襯底溫度為850℃，反應(yīng)室的壓力為4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長(zhǎng)速度為0.6ML/s條件下，在步驟(5)得到的非摻雜GaN層生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱，所述InGaN/GaN量子阱為7個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為2nm；GaN壘層的厚度為10nm。

本實(shí)施例制備的玻璃襯底上的InGaN/GaN多量子阱無論是在電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)上，還是在缺陷密度、結(jié)晶質(zhì)量都具有非常好的性能，測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)施例1相近，在此不再贅述。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。