CN103035795B - 生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了生长在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。本发明还公开了上述非极性InGaN/GaN多量子阱的制备方法。与现有技术相比，本发明具有生长工艺简单，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。

Description

生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱及其制备方法

技术领域

本发明涉及非极性多量子阱及其制备方法，特别涉及生长在LiGaO₂衬底上的非极多量子阱及其制备方法。

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。

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(150lm/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，载流子的辐射复合效率降低，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。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在LiGaO₂衬底上的非极性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。本发明的另一目的在于提供上述非极性InGaN/GaN量子阱的制备方法。

本发明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30~60nm；所述非极性m面GaN外延层的厚度为150~250nm；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10~13nm。

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：

（1）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900~1000℃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220~350℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5~7×10^-5torr，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℃，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3~5×10^-5torr，激光能量为120~180mJ，频率为10~30Hz；

（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500~750℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5~7×10^-5torr，产生等离子体氮的射频功率为200~300W。

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850~900℃，烘烤20~30分钟，除去LiGaO₂衬底表面残余的杂质。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明使用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。

（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。

附图说明

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，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤：

（1）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℃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850℃，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℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5×10^-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℃，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3×10^-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2nm InGaN阱层/10nm GaN垒层，工艺条件为：衬底温度为500℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5×10^-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。表明本发明制备的非极性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。表明本发明制备的非极性GaN薄膜在光学性质上具有非常好的性能。

实施例2

本发明生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤：

（1）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℃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900℃，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℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为7×10^-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℃，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5×10^-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℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为7×10^-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。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

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；所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30～60nm；所述非极性m面GaN外延层的厚度为150～250nm；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10～13nm。

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0.2～0.5°。

3.生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)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900～1000℃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220～350℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5～7×10^-5torr，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℃，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3～5×10^-5torr，激光能量为120～180mJ，频率为10～30Hz；

(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500～750℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5～7×10^-5torr，产生等离子体氮的射频功率为200～300W。

4.根据权利要求3所述的生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制备方法，其特征在于，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30～60nm；所述非极性m面GaN外延层的厚度为150～250nm；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10～13nm。

5.根据权利要求3所述的生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制备方法，其特征在于，所述晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2～0.5°。

6.根据权利要求3所述的生长在LiGaO₂衬底上的非极性多量子阱的制备方法，其特征在于，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850～900℃，烘烤20～30分钟，除去LiGaO₂衬底表面残余的杂质。