生長(zhǎng)在Zr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(kāi)了生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片，包括生長(zhǎng)在Zr襯底上的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n型摻雜GaN薄膜，生長(zhǎng)在n型摻雜GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生長(zhǎng)在InGaN/GaN量子阱上的p型摻雜GaN薄膜。GaN緩沖層為在500～700℃生長(zhǎng)的GaN緩沖層；非摻雜GaN層為在500～700℃生長(zhǎng)的非摻雜GaN層；n型摻雜GaN薄膜為在700～800℃生長(zhǎng)的n型摻雜GaN薄膜；InGaN/GaN量子阱為在700～800℃生長(zhǎng)的InGaN/GaN量子阱；p型摻雜GaN薄膜為在700～800℃生長(zhǎng)的p型摻雜GaN薄膜。本實(shí)用新型的LED外延片缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好，電學(xué)、光學(xué)性能好。
【專利說(shuō)明】生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及LED外延片，特別涉及一種生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片。

【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(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(wèn)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(wèn)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(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，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(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。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)目前的照明用電每年在4100億度以上，超過(guò)英國(guó)全國(guó)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(guò)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(guò)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)主要原因是其藍(lán)寶石襯底的局限性。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(guò)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)(6.63X10_e/K)較GaN的熱膨脹系數(shù)(5.6XlO-6A)大，兩者間的熱失配度約為_(kāi)18.4%，當(dāng)外延層生長(zhǎng)結(jié)束后，器件從外延生長(zhǎng)的高溫冷卻至室溫過(guò)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(100°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(lái)的材料作為襯底。而金屬Zr(OOOl)作為外延氮化物的襯底材料，具有四大其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。第一，金屬Zr有很高的熱導(dǎo)率，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(wèn)題。第二，金屬Zr可以作為生長(zhǎng)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(yáng)極材料，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)GaN-基的外延層，因而電阻下降，沒(méi)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(guò)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Zr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，。第四，由于立方相的Zr(OOOl)上外延GaN(OOOl)表比較容易，且Zr的熔點(diǎn)較高。正因?yàn)樯鲜鲋T多優(yōu)勢(shì)，金屬襯底現(xiàn)已被嘗試用作III族氮化物外延生長(zhǎng)的襯底材料。
[0006]但是金屬Zr襯底在高溫下化學(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(zhǎng)的質(zhì)量。III族氮化物外延生長(zhǎng)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MOCVD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(zhǎng)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)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片，缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好，電學(xué)、光學(xué)性能好。
[0008]本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片，包括生長(zhǎng)在Zr襯底上的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η型摻雜GaN薄膜，生長(zhǎng)在η型摻雜GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生長(zhǎng)在InGaN/GaN量子阱上的p型摻雜GaN薄膜；所述GaN緩沖層為在500?700°C生長(zhǎng)的GaN緩沖層；所述非摻雜GaN層為在500?700°C生長(zhǎng)的非摻雜GaN層；所述η型摻雜GaN薄膜為在700?800°C生長(zhǎng)的η型摻雜GaN薄膜；所述InGaN/GaN量子阱為在700?800°C生長(zhǎng)的InGaN/GaN量子阱；所述p型摻雜GaN薄膜為在700?800°C生長(zhǎng)的P型摻雜GaN薄膜。
[0010]所述Zr襯底以(0001)面為外延面。
[0011]所述GaN緩沖層的厚度為80?10nm ;所述非摻雜GaN層的厚度為2?4 μ m ;所述η型摻雜GaN薄膜的厚度為3?5 μ m ;所述InGaN/GaN量子阱為7?10個(gè)周期的InGaN講層/GaN魚(yú)層，其中InGaN講層的厚度為2?3nm ；GaN魚(yú)層的厚度為10?13nm ;所述p型摻雜GaN薄膜的厚度為300?400nm。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0013](I)本實(shí)用新型使用了金屬Zr作為襯底，用過(guò)生長(zhǎng)GaN緩沖層可以獲得島狀的GaN為外延高質(zhì)量的GaN薄膜提供形核中心，有利于沉積高質(zhì)量低缺陷的GaN薄膜，有望極大的提高了 LED的發(fā)光效率。
[0014](2)本實(shí)用新型使用了 Zr作為襯底，Zr襯底容易獲得，價(jià)格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本。
[0015](3)本實(shí)用新型采用MBE和PLD結(jié)合的方法，生長(zhǎng)出低溫高質(zhì)量的GaN基薄膜，制備出高質(zhì)量的大功率LED外延片。應(yīng)用MBE生長(zhǎng)有源層，其他層的外延則采用低溫的PLD技術(shù)，這樣在較低的溫度下就可以完成薄膜的生長(zhǎng)，避免了高溫界面反應(yīng)，為制備高質(zhì)量低缺陷的薄膜提供了保障。
[0016](4)本實(shí)用新型采用導(dǎo)電性優(yōu)良的金屬Zr作為襯底材料，可以生長(zhǎng)GaN基垂直結(jié)構(gòu)的LED器件，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)GaN基的外延層，因而電阻下降，沒(méi)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(yáng)能電池的效率。
[0017](5)本實(shí)用新型制備采用熱導(dǎo)率較高的金屬Zr作為襯底，能夠迅速地將器件內(nèi)的熱量傳導(dǎo)出來(lái)，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(wèn)題，有利于提高LED器件的壽命。
[0018](6)本實(shí)用新型采用了低溫外延技術(shù)在Zr襯底上先生長(zhǎng)一層80?10nm的低溫(500?700°C )GaN緩沖層。在低溫下能保證Zr襯底的穩(wěn)定性，減少Zr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)量外延層打下良好基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是實(shí)施例1制備的LED外延片的截面示意圖。
[0020]圖2是實(shí)施例1制備的η型摻雜GaN薄膜(GaN(0002))的XRD圖譜。
[0021]圖3是實(shí)施例1制備的LED外延片的光致發(fā)光(PL)圖譜。
[0022]圖4是實(shí)施例1制備的LED外延片的電致發(fā)光(EL)圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例的生長(zhǎng)在金屬Zr襯底上的LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
[0026](I)襯底以及其晶向的選取:外延襯底采用Zr襯底，以(0001)面為外延面，選擇的晶體外延取向關(guān)系=GaN(0001)//Zr (0001)。金屬Zr(OOOl)襯底與GaN(OOOl)間的晶格失配度較低，保證了襯底與外延之間的晶格匹配，能生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN薄膜。
[0027](2)GaN緩沖層的外延生長(zhǎng):將襯底溫度升至500°C，反應(yīng)室壓力為lX10_5Torr、
V/ III比為50、生長(zhǎng)速度為0.4ML/S ;用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為30Hz的KrF準(zhǔn)分子激光(λ = 248nm, t = 20ns)的條件下生長(zhǎng)厚度為80nm的GaN緩沖層。
[0028](3)非摻雜GaN層的外延生長(zhǎng):采用PLD外延生長(zhǎng)，將襯底溫度升至500°C，在反應(yīng)室壓力3X 10_5Torr、V / III值50、生長(zhǎng)速度0.8ML/s條件下，以靶材Ga為鎵源、射頻等離子體自由基發(fā)生器釋放的氮的等離子體作為氮源，在步驟(2)得到的GaN緩沖層上生長(zhǎng)厚度為2 μ m的非摻雜GaN薄膜。
[0029](4)n型摻雜GaN薄膜的外延生長(zhǎng):采用PLD技術(shù)外延生長(zhǎng)，將襯底溫度升至700°C，在反應(yīng)室壓力4X10_5Torr、V / III值60、生長(zhǎng)速度0.8ML/s條件下，在步驟(3)得到的非摻雜GaN層上生長(zhǎng)厚度為3 μ m的η型摻雜GaN薄膜。
[0030](5) InGaN/GaN多量子講的外延生長(zhǎng):米用MBE生長(zhǎng)多量子講，在反應(yīng)室壓力3X 10_5Torr、V / III值30、生長(zhǎng)速度0.4ML/s條件下，在步驟(4)得到的η型摻雜GaN薄膜上生長(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1nm ；
[0031](6)P型摻雜GaN薄膜的外延生長(zhǎng):采用PLD技術(shù)外延生長(zhǎng)，將襯底溫度升至700°C，在反應(yīng)室壓力3Xl(T5Torr、V / III值40、生長(zhǎng)速度0.6ML/s條件下，在步驟(5)得到的InGaN/GaN多量子阱上生長(zhǎng)厚度為300nm的p型摻雜GaN薄膜。
[0032]如圖1所示，本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在金屬Zr襯底上的LED外延片，包括生長(zhǎng)在金屬Zr襯底10上的GaN緩沖層11，生長(zhǎng)在GaN緩沖層11上的非摻雜GaN層12，生長(zhǎng)在非摻雜GaN層12上的η型摻雜GaN薄膜13，生長(zhǎng)在η型摻雜GaN薄膜13上的InGaN/GaN量子阱14，生長(zhǎng)在InGaN/GaN量子阱14上的p型摻雜GaN薄膜15。
[0033]圖2是實(shí)施例1制備的η型摻雜GaN薄膜的XRD圖譜。從X射線回?cái)[曲線中可以看到，GaN的FWHM值低于0.1° ;表明在Zr (0001)面上外延生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的η型摻雜GaN薄膜。
[0034]圖3是實(shí)施例1制備的LED外延片的PL圖譜。從圖中測(cè)試表明GaN的光致發(fā)光波長(zhǎng)在462nm，F(xiàn)ffHM是22.5nm,顯示出良好的光電性能。
[0035]圖4是實(shí)施例1制備的LED外延片的EL圖譜。從圖中看出發(fā)光波長(zhǎng)是465nm，F(xiàn)WHM是22nm，顯示出了本實(shí)用新型LED器件的優(yōu)異的電學(xué)性能。
[0036]實(shí)施例2
[0037]本實(shí)施例的生長(zhǎng)在金屬Zr襯底上的LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
[0038](I)襯底以及其晶向的選取:外延襯底采用Zr襯底，以(0001)面為外延面，選擇的晶體外延取向關(guān)系=GaN(0001)//Zr (0001)。金屬Zr(OOOl)襯底與GaN(OOOl)間的晶格失配度較低，保證了襯底與外延之間的晶格匹配，能生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN薄膜。
[0039](2)GaN緩沖層的外延生長(zhǎng):將襯底溫度升至700°C，反應(yīng)室壓力為3X10_5Torr、
V/ III比為60、生長(zhǎng)速度為0.6ML/S ;用能量為3.0J/cm2以及重復(fù)頻率為30Hz的KrF準(zhǔn)分子激光U = 248nm, t = 20ns)的條件下生長(zhǎng)厚度為10nm的GaN緩沖層。
[0040](3)非摻雜GaN層的外延生長(zhǎng):采用PLD外延生長(zhǎng)，將襯底溫度升至700°C，在反應(yīng)室壓力4X10_5Torr、V /III值60、生長(zhǎng)速度1.0ML/s條件下，以靶材Ga為鎵源、射頻等離子體自由基發(fā)生器釋放的氮的等離子體作為氮源，在步驟(2)得到的GaN緩沖層上生長(zhǎng)厚度為4μπι的非摻雜GaN薄膜。
[0041](4)η型摻雜GaN薄膜的外延生長(zhǎng):采用PLD技術(shù)外延生長(zhǎng)，將襯底溫度升至800°C，在反應(yīng)室壓力5X10_5Torr、V / III值80、生長(zhǎng)速度1.0ML/s條件下，在步驟(3)得到的非摻雜GaN層上生長(zhǎng)厚度為5 μ m的η型摻雜GaN薄膜。
[0042](5) InGaN/GaN多量子阱的外延生長(zhǎng):采用MBE生長(zhǎng)多量子阱，襯底溫度為800°C，在反應(yīng)室壓力5X10_5Torr、V / III值40、生長(zhǎng)速度0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的η型摻雜GaN薄膜上生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱；所述InGaN/GaN量子阱為10個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為3nm，GaN壘層的厚度為13nm ；
[0043](6)P型摻雜GaN薄膜的外延生長(zhǎng):采用PLD技術(shù)外延生長(zhǎng)，將襯底溫度升至800°C，在反應(yīng)室壓力4X10_5Torr、V / III值50、生長(zhǎng)速度0.8ML/s條件下，在步驟(5)得到的InGaN/GaN多量子阱上生長(zhǎng)厚度為400nm的p型摻雜GaN薄膜。
[0044]本實(shí)施例制備的金屬Zr襯底上的LED外延片無(wú)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。
[0045]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(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實(shí)用新型的精神實(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，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片，其特征在于，包括生長(zhǎng)在Zr襯底上的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η型摻雜GaN薄膜，生長(zhǎng)在η型摻雜GaN薄膜上的InGaN/GaN量子阱，生長(zhǎng)在InGaN/GaN量子阱上的p型摻雜GaN薄膜；所述GaN緩沖層為在500?700°C生長(zhǎng)的GaN緩沖層；所述非摻雜GaN層為在500?700°C生長(zhǎng)的非摻雜GaN層；所述η型摻雜GaN薄膜為在700?800°C生長(zhǎng)的η型摻雜GaN薄膜；所述InGaN/GaN量子阱為在700?800°C生長(zhǎng)的InGaN/GaN量子阱；所述p型摻雜GaN薄膜為在700?800°C生長(zhǎng)的P型摻雜GaN薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片，其特征在于，所述Zr襯底以(0001)面為外延面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Zr襯底上的LED外延片，其特征在于，所述GaN緩沖層的厚度為80?10nm ;所述非摻雜GaN層的厚度為2?4 μ m ;所述η型摻雜GaN薄膜的厚度為3?5 μ m ;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p型摻雜GaN薄膜的厚度為 300 ?400nm。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK203983321SQ201420397590
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】李國(guó)強(qiáng), 王文樑, 楊為家, 劉作蓮, 林云昊, 周仕忠, 錢慧榮 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)