CN206225395U - 生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN多量子阱，包括依次生长在铝酸镁钪衬底上的第一GaN缓冲层、非晶态AlN插入层、第二GaN缓冲层、InGaN/GaN量子阱。本实用新型还公开了上述生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN多量子阱的制备方法。本实用新型具有成本低廉的优点，且InGaN/GaN多量子阱缺陷密度低、结晶质量好，发光性能优良。
Description
技术领域
本实用新型涉及InGaN/GaN多量子阱，特别涉及一种生长在铝酸镁钪(ScMgAlO4)衬底上的InGaN/GaN多量子阱。
背景技术
GaN及其相关的III族氮化物在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，已经被广泛的应用于制备发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)和场效应晶体管等器件。
目前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。然而商业化的LED发光效率仍然有待提高，这主要是因为采用蓝宝石衬底上外延生长造成的。一方面，由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达13.3％，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，最终影响了GaN基器件的性能。另一方面，由于室温下蓝宝石(热膨胀系数6.63×10-6K-1)与GaN(热膨胀系数5.6×10-6K-1)之间的热失配度高，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。此外，由于蓝宝石的热导率低，室温下是25W/m·K，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。
因此，硅(Si)、部分金属(Al、Cu等)以及铝酸锶钽镧(La0.3Sr1.7AlTaO6)、镓酸锂(LiGaO2)等新型衬底材料陆续被用于外延生长GaN薄膜。然而，在这些衬底上生长GaN薄膜依然面临诸多问题。例如，Si衬底虽然价格低廉且尺寸大，但是Si衬底与外延层间晶格失配较大；具有高热导率的金属衬底多为面心立方结构或体心立方结构，生长出的GaN薄膜容易出现其他杂质相；La0.3Sr1.7AlTaO6及LiGaO2衬底与GaN薄膜间有较低的晶格失配，但大尺寸衬底的制备工艺困难，且衬底单晶质量差，不利于高质量GaN薄膜的生长与高性能GaN薄膜器件的产业化。因此，迫切寻找一种在匹配度、质量及成本等方面综合性能优越的衬底材料应用于外延生长GaN薄膜。此外，众所周知，制备高质量InGaN/GaN多量子阱是高效GaN基LED外延片的基础，新型衬底上外延生长制备高质量InGaN/GaN多量子阱势必是研究的难点与热点。
实用新型内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN多量子阱，所选择的铝酸镁钪衬底材料与GaN的晶格失配小(1.8％)，热失配小(9.7％)；此外，本实用新型的InGaN/GaN多量子阱具有缺陷密度低、结晶质量好，发光性能优良的优点。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，包括依次生长在铝酸镁钪衬底上的第一GaN缓冲层、非晶态AlN插入层、第二GaN缓冲层、InGaN/GaN量子阱。
所述铝酸镁钪衬底以(0001)面偏(11-20)方向0.5～1°为外延面。
所述第一GaN缓冲层的厚度为250～400nm。
所述非晶态AlN插入层的厚度为2～50nm。
所述第二GaN缓冲层的厚度为250～400nm。
所述InGaN/GaN量子阱为7～10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。
生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底以及其晶向的选取：采用铝酸镁钪衬底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO4衬底的(0001)面；
(2)衬底退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入分子束外延真空生长室，在600～700℃下对ScMgAlO4衬底进行退火处理1～2小时，获得原子级平整的衬底表面；
(3)第一GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为450～550℃，采用脉冲激光沉积技术在反应室的压力为1.0～4.0×10-5Pa、激光能量密度为1.5～3.0J/cm2的条件下生长GaN缓冲层；
(4)非晶态AlN插入层的生长：衬底温度调为室温～200℃，在反应室的压力为1.0～4.0×10-5Pa、生长速度为0.4～0.6ML/s的条件下生长AlN插入层；
(5)第二GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为450～550℃，采用脉冲激光沉积技术在反应室的压力为1.0～4.0×10-5Pa、激光能量密度为1.5～3.0J/cm2的条件下生长GaN缓冲层；
(6)InGaN/GaN多量子阱的外延生长：采用分子束外延生长工艺，生长温度为650～750℃，在反应室的压力为1.0～2.0×10-5Pa、生长速度为0.2～0.4ML/s条件下，在步骤(5)得到的第二GaN缓冲层上生长InGaN/GaN多量子阱。
所述第一GaN缓冲层的厚度为250～400nm。
所述第二GaN缓冲层的厚度为250～400nm。
所述InGaN/GaN量子阱为7～10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。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：
(1)本实用新型使用铝酸镁钪作为衬底，铝酸镁钪晶体属于六方晶系，与GaN晶格失配小(1.8％)、热失配小(9.7％)，容易生长出六方相的GaN而不出现其他杂质相；铝酸镁钪热导率要远远高于蓝宝石，有利于器件的散热，提高器件的性能；大尺寸铝酸镁钪衬底制备工艺相对简单，容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本；本实用新型使用的铝酸镁钪衬底晶体质量高，其(0001)面的XRD摇摆曲线半峰宽(FWHM)值仅为20arcsec。
(2)本实用新型采用与GaN晶格失配和热失配度低的铝酸镁钪作为衬底，能够有效的减少热应力，减少位错的形成，制备出高质量InGaN/GaN薄膜，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半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的发光效率。
附图说明
图1是实施例1使用的铝酸镁钪衬底(0001)面的XRD摇摆曲线。
图2是实施例1制备的InGaN/GaN多量子阱的截面示意图。
图3是实施例1制备的InGaN/GaN多量子阱的低温和室温光致发光(PL)图谱。
具体实施方式
下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN多量子阱的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底以及其晶向的选取：采用铝酸镁钪衬底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO4的(0001)面；如图1所示，本实用新型使用的铝酸镁钪衬底晶体质量高，其(0001)面的XRD摇摆曲线半峰宽(FWHM)值仅为20arcsec。
(2)衬底退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底分子束外延真空生长室内，在600℃下对铝酸镁钪衬底进行退火处理1小时，获得原子级平整表面；
(3)第一GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为450℃，采用脉冲激光沉积技术在反应室的压力为1.0×10-5Pa、激光能量密度为2.5J/cm2的条件下生长厚度为250nm的GaN缓冲层；
(4)非晶态AlN插入层的生长：衬底温度调为室温，在反应室的压力为2.0×10-5Pa、生长速度为0.4ML/s的条件下生长AlN插入层；采用非晶态AlN插入层，可以有效的释放失配应力，抑制穿透位错的延伸，为外延生长高质量GaN缓冲层创造条件；
(5)第二GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为450℃，采用脉冲激光沉积技术在反应室的压力为1.0×10-5Pa、激光能量密度为2.5J/cm2的条件下生长厚度为250nm的GaN缓冲层；
(6)InGaN/GaN多量子阱的外延生长：采用分子束外延生长工艺，生长温度为650℃，在反应室的压力为1.0×10-5Pa、生长速度为0.2ML/s条件下，在步骤(5)得到的第二GaN缓冲层上生长InGaN/GaN多量子阱；所述InGaN/GaN量子阱为7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；
如图2所示，本实施例制备的生长在ScMgAlO4衬底上的InGaN/GaN多量子阱的界面示意图，包括生长在ScMgAlO4衬底10上的第一GaN缓冲层11，生长在第一GaN缓冲层11上的非晶态AlN插入层12，生长在非晶态AlN插入层12上的第二GaN缓冲层13、生长在第二GaN缓冲层13上的InGaN/GaN量子阱14。
图3是本实用新型的InGaN/GaN多量子阱的低温和室温PL图谱，测试表明InGaN/GaN多量子阱的低温光致发光的峰位在442nm,半高宽为20.3nm，室温PL峰在444nm，半高宽为21nm，表明该多量子阱具有很好的光电性能，是制备高光效LED器件的理想材料。
实施例2
本实施例的生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN多量子阱的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底以及其晶向的选取：采用铝酸镁钪衬底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO4的(0001)面；
(2)衬底退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底分子束外延真空生长室内，在700℃下对铝酸镁钪衬底进行退火处理2小时，获得原子级平整表面；
(3)第一GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为550℃，采用脉冲激光沉积技术在反应室的压力为4.0×10-5Pa、激光能量密度为2.8J/cm2的条件下生长厚度为400nm的GaN缓冲层；
(4)非晶态AlN插入层的生长：衬底温度调为150℃，在反应室的压力为2.0×10- 5Pa、生长速度为0.5ML/s的条件下生长AlN插入层；采用非晶态AlN插入层，可以有效的释放失配应力，抑制穿透位错的延伸，为外延生长高质量GaN缓冲层创造条件；
(5)第二GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为550℃，采用脉冲激光沉积技术在反应室的压力为4.0×10-5Pa、激光能量密度为2.8J/cm2的条件下生长厚度为400nm的GaN缓冲层；
(6)InGaN/GaN多量子阱的外延生长：采用分子束外延生长工艺，生长温度为750℃，在反应室的压力为2.0×10-5Pa、生长速度为0.4ML/s条件下，在步骤(5)得到的第二GaN缓冲层上生长InGaN/GaN多量子阱；所述InGaN/GaN量子阱为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；
本实施例制备的ScMgAlO4衬底上的InGaN/GaN多量子阱无论是在表面形貌上，还是在光电性能上都具有非常好的性能，测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，其特征在于，包括依次生长在铝酸镁钪衬底上的第一GaN缓冲层、非晶态AlN插入层、第二GaN缓冲层、InGaN/GaN量子阱。
2.根据权利要求1所述的生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，其特征在于，所述铝酸镁钪衬底以(0001)面偏(11-20)方向0.5～1°为外延面。
3.根据权利要求1所述的生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，其特征在于，所述第一GaN缓冲层的厚度为250～400nm。
4.根据权利要求1所述的生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，其特征在于，所述非晶态AlN插入层的厚度为2～50nm。
5.根据权利要求1所述的生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，其特征在于，所述第二GaN缓冲层的厚度为250～400nm。
6.根据权利要求1所述的生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，其特征在于，所述InGaN/GaN量子阱为7～10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。
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| CN106206888A (zh) * | 2016-08-29 | 2016-12-07 | 华南理工大学 | 生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱及其制备方法 |
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| CN106206888A (zh) * | 2016-08-29 | 2016-12-07 | 华南理工大学 | 生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱及其制备方法 |
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