CN103996763A - 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用 - Google Patents

一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN103996763A
CN103996763A CN201410239968.XA CN201410239968A CN103996763A CN 103996763 A CN103996763 A CN 103996763A CN 201410239968 A CN201410239968 A CN 201410239968A CN 103996763 A CN103996763 A CN 103996763A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gan
substrate
layer
film
growth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410239968.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103996763B (zh
Inventor
李国强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Zhongtuo Optoelectrical Technology Co Ltd
Original Assignee
Guangzhou Zhongtuo Optoelectrical Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Zhongtuo Optoelectrical Technology Co Ltd filed Critical Guangzhou Zhongtuo Optoelectrical Technology Co Ltd
Priority to CN201410239968.XA priority Critical patent/CN103996763B/zh
Priority claimed from CN201410239968.XA external-priority patent/CN103996763B/zh
Publication of CN103996763A publication Critical patent/CN103996763A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103996763B publication Critical patent/CN103996763B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/16—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02425—Conductive materials, e.g. metallic silicides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02488—Insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer

Abstract

本发明公开了一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其包括金属Al衬底、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底上生长的Al2O3保护层，以及以晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，在Al2O3保护层上由下自上生长的U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN薄膜。本发明通过选择合适的晶体取向，Al(111)衬底上获得的高质量GaN外延薄膜，以提高了LED的发光效率。

Description

一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及金属有机化学气相沉积法合成膜的技术领域，具体涉及一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用；主要应用在各种介电层薄膜体声波谐振器、逻辑电路、发光二极管、光电薄膜器件，太阳能电池、光电二极管、光电探测器，激光器等领域。
背景技术
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。
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。
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。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(6.63×10-6/K)较GaN的热膨胀系数(5.6×10-6/K)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℃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。
因此迫切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Al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Al有很高的热导率，Al的热导率为2.37W/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Al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Al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。
但是金属Al衬底在化学性质不稳定，当外延温度高于700℃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。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，通过选择合适的晶体取向，Al(111)衬底上获得的高质量GaN外延薄膜，以提高了LED的发光效率。
本发明的另一目的在于提供一种生长在金属Al衬底上的LED外延片的制备方法，工艺独特而简单易行，具有可重复性、降低器件的制造成本。
本发明的又一目的在于提供本发明所述的生长在金属Al衬底上的LED外延片在制作声波谐振器、逻辑电路、发光二极管、光电薄膜器件，太阳能电池、光电二极管、光电探测器，激光器等器件的介电层薄膜的应用。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其包括金属Al衬底、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底上生长的Al2O3保护层，以及以晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，在Al2O3保护层上由下自上生长的U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN薄膜。
发明人发现在Al衬底上直接外延GaN薄膜很困难，通过研究表明在先Al衬底生长一层Al2O3保护层，一方面可以防止Al离子扩散到外延层中；另一方面Al2O3为外延生长GaN薄膜提供有利的条件。作为本发明的一种优选的方案，所述Al2O3保护层的厚度为15-25nm。所述N-GaN薄膜层的厚度为3-6μm。
作为本发明的一种优选的方案，所述InGaN/GaN多量子阱层包括7个周期生长的7层InGaN阱层和7层垒层，所述InGaN为阱层和层垒层交错叠加；每层InGaN阱层厚度为2-4nm，每层垒层厚度为10-15nm。
作为本发明的一种优选的方案，所述p型GaN薄膜的厚度为320-360nm。
一种生长在金属Al衬底上的LED外延片的制备方法，其步骤如下：
1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底表面抛光、清洗、退火处理；
2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层Al层，待衬底温度为650-750℃时通入O2至形成Al2O3层，保温20-40min，获得一层Al2O3保护层；
3)U-GaN薄膜外延生长：选择的晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，采用脉冲激光沉积法在Al2O3保护层上生长一层U-GaN薄膜；
4)N-GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法在U-GaN薄膜上生长一层U-GaN薄膜；
5)InGaN/GaN多量子阱层的外延生长：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上生长InGaN/GaN多量子阱层；
6)p型GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法在InGaN/GaN多量子阱层上生长p型GaN薄膜。
步骤1)中，抛光具体工艺为：将Al衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合显微镜观察衬底表面，当没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理；清洗工艺为：将衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除Al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；清洗后的衬底用纯度为99.9999％的干燥氮气吹干；退火的具体过程为：将衬底Al放在压强为2×10-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在450-550℃下高温烘烤1h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至室温。
步骤3)中，采用脉冲激光沉积在Al2O3保护层表面生长出U-GaN薄膜的具体工艺为：将衬底温度降至650-750℃，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz、λ＝248nm的KrF准分子激光PLD烧蚀纯度为99.9999％的Ga靶材，以工射频等离子体自由基发生器作为氮源在AlN薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反应室压力为1×10-2Torr，N2的体积百分比为99.9999％，Ⅴ/Ⅲ比为50-60，控制GaN生长速度为0.4-0.6ML/s。
步骤4)具体步骤为：将衬底温度降至500-600℃，用纯度为99.9999％的Ga靶材和射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力1×10-2-4×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40-50、生长速度为0.8-1.0ML/s。步骤6)与步骤4)工艺条件相同，在此处不再赘述。
步骤5)所具体工艺为：在反应室压力1×10-5-5×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值30-40、生长速度0.6-0.8ML/s条件下，生长7个周期。
本发明所述的生长在金属Al衬底上的LED外延片在制备声波谐振器、逻辑电路、发光二极管、光电薄膜器件，太阳能电池、光电二极管、光电探测器、激光器放入介电层薄膜的应用。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明使用了金属Al作为衬底，用生长Al2O3保护层可以获得衬底与GaN外延层之间很低的晶格失配度，有利于沉积高质量低缺陷的GaN薄膜，可提高介电层薄膜体声波谐振器质量；
2.本发明使用了Al作为衬底，其热导率高约2.37W/cm·K，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；另外Al衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本；
3.本发明采用的脉冲激光沉积工艺，由于产生的前驱物具有很高的动能，可有效缩短氮化物的形核时间，保证所获得的单一性优异的GaN薄膜；
4.本发明制备出了高质量的GaN薄膜，可以作为生长高质量GaN基LED器件的缓冲层材料，加之金属的优异的热导率，可以作为制造GaN基垂直结构的LED器件，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介电层薄膜体声波谐振器、半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率；
5.本发明采用了低温外延技术在Al衬底上先生长一层Al2O3保护层薄膜。在低温下能保证Al衬底的稳定性，减少Al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GaN薄膜外延层打下良好基础；
6.本发明技术生长衬底的生长工艺独特而简单易行，具有可重复性、外延生长的GaN薄膜缺陷密度低、晶体质量高，电学和光学性质优异等优点，可广泛应用于半导体激光器、发光二极管及太阳能电池等领域，便于推广应用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明所述的生长在金属Al衬底上的LED外延片的结构示意图。
图2是本发明中实施例1制备的LED外延片的HRXRD图谱；
图3是本发明中实施例1制备的LED外延片的光致发光图谱；
图4是本发明中实施例1制备的LED外延片的电致发光图谱；
图5是本发明中实施例2制备的LED外延片的HRXRD图谱；
图6是本发明中实施例2制备的LED外延片的光致发光图谱；
图7是本发明中实施例2制备的LED外延片的电致发光图谱；
图8是本发明中实施例3制备的LED外延片的HRXRD图谱；
图9是本发明中实施例3制备的LED外延片的光致发光图谱；
图10是本发明中实施例3制备的LED外延片的电致发光图谱。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的生长在金属Al衬底上的LED外延片，其包括金属Al衬底10、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底10上生长的Al2O3保护层11，以及以晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，在Al2O3保护层11上由下自上生长的U-GaN薄膜层12、N-GaN薄膜层13、InGaN/GaN多量子阱层14、p型GaN薄膜15。
发明人发现在Al衬底上直接外延GaN薄膜很困难，通过研究表明在先Al衬底11生长一层Al2O3保护层12，一方面可以防止Al离子扩散到外延层中；另一方面Al2O3为外延生长GaN薄膜提供有利的条件。作为本发明的一种优选的方案，所述Al2O3保护层12的厚度为15-25nm。所述N-GaN薄膜层13的厚度为3-6μm。
作为本发明的一种优选的方案，所述InGaN/GaN多量子阱层14包括7个周期生长的7层InGaN阱层和7层垒层，所述InGaN为阱层和层垒层交错叠加；每层InGaN阱层厚度为2-4nm，每层垒层厚度为10-15nm。
作为本发明的一种优选的方案，所述p型GaN薄膜15的厚度为320-360nm。
以下是本发明具体的实施例。
实施例1
一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其通过以下方法制备而成：
1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底将Al衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合显微镜观察衬底表当没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理；然后将清洗后的衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除Al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；清洗后的衬底用纯度为99.9999％的干燥氮气吹干；最后将衬底Al放在压强为2×10-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在450℃下高温烘烤1h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至室温；
2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层1nm厚的Al层，待衬底温度为650℃时通入O2至形成Al2O3层，保温40min，获得一层厚度为15nm的Al2O3保护层；
3)U-GaN薄膜外延生长：选择的晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，采用脉冲激光沉积法将衬底温度降至650℃，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz、λ＝248nm的KrF准分子激光PLD烧蚀纯度为99.9999％的Ga靶材，以射频等离子体自由基发生器作为氮源在AlN薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反应室压力为1×10-2Torr，N2的体积百分比为99.9999％，Ⅴ/Ⅲ比为50，控制GaN生长速度为0.4ML/s；
4)N-GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法将衬底温度升至500℃，用纯度为99.9999％的Ga靶材和射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力1×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度为0.8ML/s；N-GaN薄膜厚度3μm，其载流子的浓度为1×1019cm-3；
5)InGaN/GaN多量子阱层的外延生长：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上，反应室压力1.0×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值30、生长速度0.6ML/s条件下，生长7个周期；所述InGaN/GaN多量子阱层包括In0.125Ga0.875N阱层和垒层，周期数为7，其中In0.125Ga0.875N阱层为3nm，垒层为13nm；
6)p型GaN薄膜的外延生长：将衬底温度降至500℃，采用脉冲激光沉积法在InGaN/GaN多量子阱层上，用纯度为99.9999％的Ga靶材和的射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力1×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度为0.8ML/s，其厚度约为320nm，其载流子浓度为2×1016cm-3。
图2是本实施例制备的LED外延片的HRXRD图谱，从X射线回摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于0.06度，显示出很高的结晶性能。
图3是本实施例制备的LED外延片的光致发光图谱，从光致发光中可以看到，光致发光波长在442nm，FWHM是22.5nm，显示出良好的光电性能。
图4是本实施例制备的LED外延片的电致发光图谱，从图中看出发光波长是432nm，FWHM是22nm，显示出了本发明LED器件的优异的电学性能。
应用实施例1
将实施例1制备的生长在金属Al衬底上的LED外延片用于制备光电探测器：在本实施例制备的生长在金属Al衬底上的的Al2O3保护层，Al2O3保护层上的AlN薄膜，AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、N型掺硅GaN、P型掺镁的GaN，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中N型掺硅GaN厚度约为3μm，其载流子的浓度为1×1019cm-3；非掺杂GaN厚度约为200nm,其载流子浓度为2.2×1016cm-3；P型掺镁的GaN度约为1.5μm。本实施例所制备的光电探测器在1V偏压下,暗电流仅为66pA,并且器件在1V偏压下，在361nm处响应度的最大值达到了0.91A/W。
应用实施例2
将实施例1制备的生长在金属Al衬底上的LED外延片用于制备太阳能电池器件：在本实施例制备的生长在金属Al衬底上的Al2O3保护层，Al2O3保护层上的AlN薄膜，AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、InxGa1-xN缓冲层、N型掺硅InxGa1-xN、P型掺镁的InxGa1-xN，x的值可以在0-0.2之间可调，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结，具体制作步骤如下：
生长具有成分梯度的InxGa1-xN缓冲层，然后生长N型掺硅InxGa1-xN,外延层的厚度约为5μm,其载流子的浓度为1×1019cm-3。接着生长InxGa1-xN多量子阱层,厚度约为300nm,周期数为20，其中In0.2Ga0.8N阱层为3nm，In0.08Ga0.92N垒层为10nm。再生长Mg掺杂的P型InxGa1-xN层,厚度约为200nm，其载流子浓度为2×1016cm-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在N2气氛下退火,提高了P型InGaN薄膜的载流子浓度和迁移率。对所制备的InGaN太阳能电池器件进行检测。检测结果显示，无论是性质还是在应用上，均优于目前已经报道的应用蓝宝石衬底获得的LED的相关结果，具有良好的应用前景。
实施例2
一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其通过以下方法制备而成：
1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底将Al衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合显微镜观察衬底表当没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理；然后将清洗后的衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除Al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；清洗后的衬底用纯度为99.9999％(v％)的干燥氮气吹干；最后将衬底Al放在压强为2×10-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在500℃下高温烘烤1h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至室温；
2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层2nm厚的Al层，待衬底温度为650℃时通入O2至形成Al2O3层，保温30min，获得一层厚度为15nm的Al2O3保护层；
3)U-GaN薄膜外延生长：选择的晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，采用脉冲激光沉积法将衬底温度降至650℃，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz、λ＝248nm的KrF准分子激光PLD烧蚀纯度为99.9999％的Ga靶材，以射频等离子体自由基发生器作为氮源在AlN薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反应室压力为1×10-2Torr，N2的体积百分比为99.9999％，Ⅴ/Ⅲ比为50，控制GaN生长速度为0.6ML/s；
4)N-GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法将衬底温度升至500℃，用纯度为99.9999％的Ga靶材和射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力4×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度为0.8ML/s；N-GaN薄膜厚度3μm，其载流子的浓度为1×1019cm-3；
5)InGaN/GaN多量子阱层的外延生长：采用分子束外延法EMB在N-GaN薄膜上，反应室压力5×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值30、生长速度0.6ML/s条件下，生长7个周期；所述InGaN/GaN多量子阱层包括In0.125Ga0.875N阱层和垒层，周期数为7，其中In0.125Ga0.875N阱层为3nm，垒层为13nm；
6)p型GaN薄膜的外延生长：将衬底温度降至600℃，采用脉冲激光沉积法在InGaN/GaN多量子阱层上，用纯度为99.9999％的Ga靶材和射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力4×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度为0.8ML/s，其厚度约为350nm，其载流子浓度为2×1016cm-3。
图5是本实施例制备的LED外延片的HRXRD图谱，从X射线回摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于0.06度，显示出很高的结晶性能。
图6是本实施例制备的LED外延片的光致发光图谱，从光致发光中可以看到，光致发光波长在442nm，FWHM是22.5nm，显示出良好的光电性能。
图7是本实施例制备的LED外延片的电致发光图谱，从图中看出发光波长是432nm，FWHM是22nm，显示出了本发明LED器件的优异的电学性能。
应用实施例3
将实施例2制备的生长在金属Al衬底上的LED外延片用于制备光电探测器：在本实施例制备的生长在金属Al衬底上的的Al2O3保护层，Al2O3保护层上的AlN薄膜，AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、N型掺硅GaN、P型掺镁的GaN，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中N型掺硅GaN厚度约为3μm，其载流子的浓度为1×1019cm-3；非掺杂GaN厚度约为200nm,其载流子浓度为2.2×1016cm-3；P型掺镁的GaN度约为1.5μm。本实施例所制备的光电探测器在1V偏压下,暗电流仅为66pA,并且器件在1V偏压下，在361nm处响应度的最大值达到了0.91A/W。
应用实施例4
将实施例2制备的生长在金属Al衬底上的LED外延片用于制备太阳能电池器件：在本实施例制备的生长在金属Al衬底上的Al2O3保护层，Al2O3保护层上的AlN薄膜，AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、InxGa1-xN缓冲层、N型掺硅InxGa1-xN、P型掺镁的InxGa1-xN，x的值可以在0-0.2之间可调，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结，具体制作步骤如下：
生长具有成分梯度的InxGa1-xN缓冲层，然后生长N型掺硅InxGa1-xN,外延层的厚度约为5μm,其载流子的浓度为1×1019cm-3。接着生长InxGa1-xN多量子阱层,厚度约为300nm,周期数为20，其中In0.2Ga0.8N阱层为3nm，In0.08Ga0.92N垒层为10nm。再生长Mg掺杂的P型InxGa1-xN层,厚度约为200nm，其载流子浓度为2×1016cm-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在N2气氛下退火,提高了P型InGaN薄膜的载流子浓度和迁移率。对所制备的InGaN太阳能电池器件进行检测，检测结果显示，无论是性质还是在应用上，均优于目前已经报道的应用蓝宝石衬底获得的LED的相关结果，具有良好的应用前景。
实施例3
一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其通过以下方法制备而成：
1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底将Al衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合显微镜观察衬底表当没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理；然后将清洗后的衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除Al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；清洗后的衬底用纯度为99.9999％的干燥氮气吹干；最后将衬底Al放在压强为2×10-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在550℃下高温烘烤1h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至室温；
2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层1nm厚的Al层，待衬底温度为750℃时通入O2至形成Al2O3层，保温40min，获得一层厚度为25nm的Al2O3保护层；
3)U-GaN薄膜外延生长：选择的晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，采用脉冲激光沉积法将衬底温度降至650℃，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz、λ＝248nm的KrF准分子激光PLD烧蚀纯度为99.9999％的Ga靶材，以工作压力为1.5×10-6Torr的射频等离子体自由基发生器作为氮源在AlN薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反应室压力为1×10-2Torr，N2的体积百分比为99.9999％，Ⅴ/Ⅲ比为50，控制GaN生长速度为0.4ML/s；
4)N-GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法将衬底温度升至500℃，用纯度为99.9999％的Ga靶材和射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力4×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度为0.8ML/s；N-GaN薄膜厚度3-6μm，其载流子的浓度为1×1019cm-3；
5)InGaN/GaN多量子阱层的外延生长：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上，反应室压力5×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值30、生长速度0.6ML/s条件下，生长7个周期；所述InGaN/GaN多量子阱层包括In0.125Ga0.875N阱层和垒层，周期数为7，其中In0.125Ga0.875N阱层为3nm，垒层为13nm；
6)p型GaN薄膜的外延生长：将衬底温度升至500℃，采用脉冲激光沉积法在InGaN/GaN多量子阱层上，用纯度为99.9999％的Ga靶材和射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力4×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度为0.8ML/s，其厚度约为360nm，其载流子浓度为2×1016cm-3。
图8是本实施例制备的LED外延片的HRXRD图谱，从X射线回摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于0.06度，显示出很高的结晶性能。
图9是本实施例制备的LED外延片的光致发光图谱，从光致发光中可以看到，光致发光波长在442nm，FWHM是22.5nm，显示出良好的光电性能。
图10是本实施例制备的LED外延片的电致发光图谱，从图中看出发光波长是432nm，FWHM是22nm，显示出了本发明LED器件的优异的电学性能。
应用实施例5
将实施例3制备的生长在金属Al衬底上的LED外延片用于制备光电探测器：在本实施例制备的生长在金属Al衬底上的的Al2O3保护层，Al2O3保护层上的AlN薄膜，AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、N型掺硅GaN、P型掺镁的GaN，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中N型掺硅GaN厚度约为3μm，其载流子的浓度为1×1019cm-3；非掺杂GaN厚度约为200nm,其载流子浓度为2.2×1016cm-3；P型掺镁的GaN度约为1.5μm。本实施例所制备的光电探测器在1V偏压下,暗电流仅为66pA,并且器件在1V偏压下，在361nm处响应度的最大值达到了0.91A/W。
应用实施例6
将实施例3制备的生长在金属Al衬底上的LED外延片用于制备太阳能电池器件：在本实施例制备的生长在金属Al衬底上的Al2O3保护层，Al2O3保护层上的AlN薄膜，AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、InxGa1-xN缓冲层、N型掺硅InxGa1-xN、P型掺镁的InxGa1-xN，x的值可以在0-0.2之间可调，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结，具体制作步骤如下：
生长具有成分梯度的InxGa1-xN缓冲层，然后生长N型掺硅InxGa1-xN,外延层的厚度约为5μm,其载流子的浓度为1×1019cm-3。接着生长InxGa1-xN多量子阱层,厚度约为300nm,周期数为20，其中In0.2Ga0.8N阱层为3nm，In0.08Ga0.92N垒层为10nm。再生长Mg掺杂的P型InxGa1-xN层,厚度约为200nm，其载流子浓度为2×1016cm-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在N2气氛下退火,提高了P型InGaN薄膜的载流子浓度和迁移率。对所制备的InGaN太阳能电池器件进行检测，检测结果显示，无论是性质还是在应用上，均优于目前已经报道的应用蓝宝石衬底获得的LED的相关结果，具有良好的应用前景。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其特征在于：其包括金属Al衬底、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底上生长的Al2O3保护层，以及以晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，在Al2O3保护层上由下自上生长的U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN薄膜。
2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述保护层的厚度为15-25nm，所述N-GaN薄膜层的厚度为3-6μm。
3.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱层包括7个周期生长的7层InGaN阱层和7层垒层，所述InGaN为阱层和层垒层交错叠加；每层InGaN阱层厚度为2-4nm，每层垒层厚度为10-15nm。
4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述p型GaN薄膜的厚度为320-360nm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底表面抛光、清洗、退火处理；
2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层Al层，待衬底温度为650-750℃时通入O2至形成Al2O3层，保温20-40min，获得一层Al2O3保护层；
3)U-GaN薄膜外延生长：选择的晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，采用脉冲激光沉积法在Al2O3保护层上生长一层U-GaN薄膜；
4)N-GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法在U-GaN薄膜上生长一层U-GaN薄膜；
5)InGaN/GaN多量子阱层的外延生长：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上生长InGaN/GaN多量子阱层；
6)p型GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法在InGaN/GaN多量子阱层上生长p型GaN薄膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，抛光具体工艺为：将Al衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合显微镜观察衬底表面，当没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理；清洗工艺为：将衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除Al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；清洗后的衬底用纯度为99.9999％的干燥氮气吹干；退火的具体过程为：将衬底Al放在压强为2×10-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在450-550℃下高温烘烤1h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至室温。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，采用脉冲激光沉积在Al2O3保护层表面生长出U-GaN薄膜的具体工艺为：将衬底温度降至650-750℃，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz、λ＝248nm的KrF准分子激光PLD烧蚀纯度为99.9999％的Ga靶材，以射频等离子体自由基发生器作为氮源在AlN薄膜上生成U-GaN薄膜；其中，反应室压力为1×10-2Torr，N2的体积百分比为99.9999％，Ⅴ/Ⅲ比为50-60，控制GaN生长速度为0.4-0.6ML/s。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4)具体步骤为：将衬底温度降至500-600℃，用纯度为99.9999％的Ga靶材和射频等离子体自由基发生器作为氮源反应生成N-GaN薄膜，反应室压力1×10-2-4×10-2Torr、Ⅴ/Ⅲ值40-50、生长速度为0.8-1.0ML/s。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤5)所具体工艺为：在反应室压力1×10-5-5×10-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值30-40、生长速度0.6-0.8ML/s条件下，生长7个周期。
10.如权利要求1-4所述的LED外延片在制备声波谐振器、逻辑电路、发光二极管、光电薄膜器件，太阳能电池、光电二极管、光电探测器、激光器放入介电层薄膜的应用。
CN201410239968.XA 2014-05-30 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用 Active CN103996763B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410239968.XA CN103996763B (zh) 2014-05-30 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410239968.XA CN103996763B (zh) 2014-05-30 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103996763A true CN103996763A (zh) 2014-08-20
CN103996763B CN103996763B (zh) 2016-11-30

Family

ID=

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105703732A (zh) * 2016-01-18 2016-06-22 佛山市艾佛光通科技有限公司 一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法
CN105742424A (zh) * 2016-03-15 2016-07-06 河源市众拓光电科技有限公司 一种在金属Al衬底上外延生长的GaN薄膜及其制备方法
CN106057640A (zh) * 2016-05-27 2016-10-26 清华大学 半导体结构以及制备半导体结构的方法
CN108206130A (zh) * 2018-01-11 2018-06-26 华南理工大学 生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000164510A (ja) * 1998-11-26 2000-06-16 Sony Corp 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体基板およびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法
CN102386287A (zh) * 2011-08-29 2012-03-21 协鑫光电科技（张家港）有限公司 图形化衬底及其制备方法和发光二极管
CN103035794A (zh) * 2012-12-11 2013-04-10 广州市众拓光电科技有限公司 一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法
CN203895485U (zh) * 2014-05-30 2014-10-22 广州市众拓光电科技有限公司 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000164510A (ja) * 1998-11-26 2000-06-16 Sony Corp 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体基板およびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法
CN102386287A (zh) * 2011-08-29 2012-03-21 协鑫光电科技（张家港）有限公司 图形化衬底及其制备方法和发光二极管
CN103035794A (zh) * 2012-12-11 2013-04-10 广州市众拓光电科技有限公司 一种生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法
CN203895485U (zh) * 2014-05-30 2014-10-22 广州市众拓光电科技有限公司 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105703732A (zh) * 2016-01-18 2016-06-22 佛山市艾佛光通科技有限公司 一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法
CN105742424A (zh) * 2016-03-15 2016-07-06 河源市众拓光电科技有限公司 一种在金属Al衬底上外延生长的GaN薄膜及其制备方法
CN105742424B (zh) * 2016-03-15 2018-08-10 河源市众拓光电科技有限公司 一种在金属Al衬底上外延生长的GaN薄膜及其制备方法
CN106057640A (zh) * 2016-05-27 2016-10-26 清华大学 半导体结构以及制备半导体结构的方法
CN108206130A (zh) * 2018-01-11 2018-06-26 华南理工大学 生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法
CN108206130B (zh) * 2018-01-11 2023-10-10 华南理工大学 生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102945898B (zh) 生长在金属Ag衬底上的AlN薄膜及其制备方法、应用
CN102945899B (zh) 生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜及其制备方法、应用
CN104037284A (zh) 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用
CN103296066B (zh) 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用
CN103035789A (zh) 生长在LiGaO2衬底上的非极性蓝光LED外延片及其制备方法
CN203950831U (zh) 生长在Cu衬底的LED外延片
CN103996764B (zh) 生长在Ag衬底的LED外延片及其制备方法和应用
CN103996611B (zh) 一种生长在金属Al衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用
CN203085627U (zh) 生长在LiGaO2衬底上的非极性蓝光LED外延片
CN103296157B (zh) 生长在铝酸锶钽镧衬底上的led外延片及制备方法
CN203895485U (zh) 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片
CN213816181U (zh) 一种Si衬底的GaN薄膜
CN203895486U (zh) 生长在Ag衬底上的LED外延片
CN104157756A (zh) 生长在Zr衬底上的LED外延片及其制备方法
CN204130574U (zh) 一种生长在金属Al衬底上的GaN薄膜
CN203983321U (zh) 生长在Zr衬底上的LED外延片
CN204067412U (zh) 生长在W衬底上的AlN薄膜
CN204067411U (zh) 生长在W衬底上的GaN薄膜
CN203983319U (zh) 生长在w衬底上的led外延片
CN203339207U (zh) 生长在铝酸锶钽镧衬底上的led外延片
CN204130576U (zh) 生长在Zr衬底上的GaN薄膜
CN103296159B (zh) 生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN多量子阱及制备方法
CN204067413U (zh) 生长在W衬底上的InGaN/GaN多量子阱
CN103996758A (zh) 生长在Cu衬底的LED外延片及其制备方法和应用
CN103996763B (zh) 一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant