生長在鋁酸鎂鈧襯底上的InGaN/GaN量子阱及其制備方法與流程

本發明涉及InGaN/GaN多量子阱及其制備方法，特別涉及一種生長在鋁酸鎂鈧(ScMgAlO₄)襯底上的InGaN/GaN多量子阱及制備方法。

背景技術：

GaN及其相關的III族氮化物在電學、光學以及聲學上具有極其優異的性質，已經被廣泛的應用于制備發光二極管(LEDs)、激光二極管(LDs)和場效應晶體管等器件。

目前LED要真正實現大規模廣泛應用，需要進一步提高LED芯片的發光效率。然而商業化的LED發光效率仍然有待提高，這主要是因為采用藍寶石襯底上外延生長造成的。一方面，由于藍寶石與GaN的晶格失配高達13.3％，導致外延GaN薄膜過程中形成很高的位錯密度，從而降低了材料的載流子遷移率，縮短了載流子壽命，最終影響了GaN基器件的性能。另一方面，由于室溫下藍寶石(熱膨脹系數6.63×10^-6K^-1)與GaN(熱膨脹系數5.6×10^-6K^-1)之間的熱失配度高，當外延層生長結束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產生很大的壓應力，容易導致薄膜和襯底的龜裂。此外，由于藍寶石的熱導率低，室溫下是25W/m·K，很難將芯片內產生的熱量及時排出，導致熱量積累，使器件的內量子效率降低，最終影響器件的性能。

因此，硅(Si)、部分金屬(Al、Cu等)以及鋁酸鍶鉭鑭(La_0.3Sr_1.7AlTaO₆)、鎵酸鋰(LiGaO₂)等新型襯底材料陸續被用于外延生長GaN薄膜。然而，在這些襯底上生長GaN薄膜依然面臨諸多問題。例如，Si襯底雖然價格低廉且尺寸大，但是Si襯底與外延層間晶格失配較大；具有高熱導率的金屬襯底多為面心立方結構或體心立方結構，生長出的GaN薄膜容易出現其他雜質相；La_0.3Sr_1.7AlTaO₆及LiGaO₂襯底與GaN薄膜間有較低的晶格失配，但大尺寸襯底的制備工藝困難，且襯底單晶質量差，不利于高質量GaN薄膜的生長與高性能GaN薄膜器件的產業化。因此，迫切尋找一種在匹配度、質量及成本等方面綜合性能優越的襯底材料應用于外延生長GaN薄膜。此外，眾所周知，制備高質量InGaN/GaN多量子阱是高效GaN基LED外延片的基礎，新型襯底上外延生長制備高質量InGaN/GaN多量子阱勢必是研究的難點與熱點。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種生長在鋁酸鎂鈧襯底上的InGaN/GaN多量子阱，所選擇的鋁酸鎂鈧襯底材料與GaN的晶格失配小(1.8％)，熱失配小(9.7％)；此外，本發明的InGaN/GaN多量子阱具有缺陷密度低、結晶質量好，發光性能優良的優點。

本發明的另一目的在于提供上述生長在鋁酸鎂鈧襯底上的InGaN/GaN多量子阱的制備方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的InGaN/GaN量子阱，包括依次生長在鋁酸鎂鈧襯底上的第一GaN緩沖層、非晶態AlN插入層、第二GaN緩沖層、InGaN/GaN量子阱。

所述鋁酸鎂鈧襯底以(0001)面偏(11-20)方向0.5～1°為外延面。

所述第一GaN緩沖層的厚度為250～400nm。

所述非晶態AlN插入層的厚度為2～50nm。

所述第二GaN緩沖層的厚度為250～400nm。

所述InGaN/GaN量子阱為7～10個周期的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。

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的InGaN/GaN量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選取：采用鋁酸鎂鈧襯底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°為外延面，晶體外延取向關系為：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄襯底的(0001)面；

(2)襯底退火處理，所述退火的具體過程為：將襯底放入分子束外延真空生長室，在600～700℃下對ScMgAlO₄襯底進行退火處理1～2小時，獲得原子級平整的襯底表面；

(3)第一GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450～550℃，采用脈沖激光沉積技術在反應室的壓力為1.0～4.0×10^-5Pa、激光能量密度為1.5～3.0J/cm²的條件下生長GaN緩沖層；

(4)非晶態AlN插入層的生長：襯底溫度調為室溫～200℃，在反應室的壓力為1.0～4.0×10^-5Pa、生長速度為0.4～0.6ML/s的條件下生長AlN插入層；

(5)第二GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450～550℃，采用脈沖激光沉積技術在反應室的壓力為1.0～4.0×10^-5Pa、激光能量密度為1.5～3.0J/cm²的條件下生長GaN緩沖層；

(6)InGaN/GaN多量子阱的外延生長：采用分子束外延生長工藝，生長溫度為650～750℃，在反應室的壓力為1.0～2.0×10^-5Pa、生長速度為0.2～0.4ML/s條件下，在步驟(5)得到的第二GaN緩沖層上生長InGaN/GaN多量子阱。

所述第一GaN緩沖層的厚度為250～400nm。

所述第二GaN緩沖層的厚度為250～400nm。

所述InGaN/GaN量子阱為7～10個周期的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。

與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：

(1)本發明使用鋁酸鎂鈧作為襯底，鋁酸鎂鈧晶體屬于六方晶系，與GaN晶格失配小(1.8％)、熱失配小(9.7％)，容易生長出六方相的GaN而不出現其他雜質相；鋁酸鎂鈧熱導率要遠遠高于藍寶石，有利于器件的散熱，提高器件的性能；大尺寸鋁酸鎂鈧襯底制備工藝相對簡單，容易獲得，價格便宜，有利于降低生產成本；本發明使用的鋁酸鎂鈧襯底晶體質量高，其(0001)面的XRD搖擺曲線半峰寬(FWHM)值僅為20arcsec。

(2)本發明使用鋁酸鎂鈧作為襯底，采用了低溫(450-550℃)外延技術在鋁酸鎂鈧襯底上先采用脈沖激光沉積技術外延生長一層GaN緩沖層，通過生長GaN緩沖層可以獲得島狀GaN；同時采用非晶態AlN插入層，可以有效的釋放失配應力，抑制穿透位錯的延伸；為下一步沉積高質量低缺陷的GaN薄膜做鋪墊，提高器件的發光效率，有望制備出高光效LED器件。

(3)本發明采用與GaN晶格失配和熱失配度低的鋁酸鎂鈧作為襯底，能夠有效的減少熱應力，減少位錯的形成，制備出高質量InGaN/GaN薄膜，有利提高了載流子的輻射復合效率，可大幅度提高氮化物器件如半導體激光器、發光二極管及太陽能電池的發光效率。

(4)本發明的生長工藝簡單易行，具有可重復性。

附圖說明

圖1是實施例1使用的鋁酸鎂鈧襯底(0001)面的XRD搖擺曲線。

圖2是實施例1制備的InGaN/GaN多量子阱的截面示意圖。

圖3是實施例1制備的非晶態AlN插入層的反射式高能電子衍射照片。

圖4是實施例1制備的InGaN/GaN多量子阱的顯微鏡圖。

圖5是實施例1制備的InGaN/GaN多量子阱的低溫和室溫光致發光(PL)圖譜。

具體實施方式

下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。

實施例1

本實施例的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的InGaN/GaN多量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選取：采用鋁酸鎂鈧襯底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°為外延面，晶體外延取向關系為：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄的(0001)面；如圖1所示，本發明使用的鋁酸鎂鈧襯底晶體質量高，其(0001)面的XRD搖擺曲線半峰寬(FWHM)值僅為20arcsec。

(2)襯底退火處理，所述退火的具體過程為：將襯底分子束外延真空生長室內，在600℃下對鋁酸鎂鈧襯底進行退火處理1小時，獲得原子級平整表面；

(3)第一GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450℃，采用脈沖激光沉積技術在反應室的壓力為1.0×10^-5Pa、激光能量密度為2.5J/cm²的條件下生長厚度為250nm的GaN緩沖層；

(4)非晶態AlN插入層的生長：襯底溫度調為室溫，在反應室的壓力為2.0×10^-5Pa、生長速度為0.4ML/s的條件下生長AlN插入層；采用非晶態AlN插入層，可以有效的釋放失配應力，抑制穿透位錯的延伸，為外延生長高質量GaN緩沖層創造條件；

(5)第二GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450℃，采用脈沖激光沉積技術在反應室的壓力為1.0×10^-5Pa、激光能量密度為2.5J/cm²的條件下生長厚度為250nm的GaN緩沖層；

(6)InGaN/GaN多量子阱的外延生長：采用分子束外延生長工藝，生長溫度為650℃，在反應室的壓力為1.0×10^-5Pa、生長速度為0.2ML/s條件下，在步驟(5)得到的第二GaN緩沖層上生長InGaN/GaN多量子阱；所述InGaN/GaN量子阱為7個周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為2nm，GaN壘層的厚度為10nm；

如圖2所示，本實施例制備的生長在ScMgAlO₄襯底上的InGaN/GaN多量子阱的界面示意圖，包括生長在ScMgAlO₄襯底10上的第一GaN緩沖層11，生長在第一GaN緩沖層11上的非晶態AlN插入層12，生長在非晶態AlN插入層12上的第二GaN緩沖層13、生長在第二GaN緩沖層13上的InGaN/GaN量子阱14。

圖3是非晶態AlN插入層的反射式高能電子衍射照片。從圖中沒有發現任何衍射花樣，表明AlN插入層為非晶態。

圖4是本實施例制備的InGaN/GaN多量子阱的顯微鏡圖。從圖4中可以看出生長的InGaN/GaN多量子阱表面平整，無裂紋；表明在ScMgAlO₄(0001)襯底上外延生長出了高質量的InGaN/GaN多量子阱。

圖5是本發明制備出的InGaN/GaN多量子阱的低溫和室溫PL圖譜，測試表明InGaN/GaN多量子阱的低溫光致發光的峰位在442nm,半高寬為20.3nm，室溫PL峰在444nm，半高寬為21nm，表明該多量子阱具有很好的光電性能，是制備高光效LED器件的理想材料。

實施例2

本實施例的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的InGaN/GaN多量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選取：采用鋁酸鎂鈧襯底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°為外延面，晶體外延取向關系為：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄的(0001)面；

(2)襯底退火處理，所述退火的具體過程為：將襯底分子束外延真空生長室內，在700℃下對鋁酸鎂鈧襯底進行退火處理2小時，獲得原子級平整表面；

(3)第一GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為550℃，采用脈沖激光沉積技術在反應室的壓力為4.0×10^-5Pa、激光能量密度為2.8J/cm²的條件下生長厚度為400nm的GaN緩沖層；

(4)非晶態AlN插入層的生長：襯底溫度調為150℃，在反應室的壓力為2.0×10^-5Pa、生長速度為0.5ML/s的條件下生長AlN插入層；采用非晶態AlN插入層，可以有效的釋放失配應力，抑制穿透位錯的延伸，為外延生長高質量GaN緩沖層創造條件；

(5)第二GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為550℃，采用脈沖激光沉積技術在反應室的壓力為4.0×10^-5Pa、激光能量密度為2.8J/cm²的條件下生長厚度為400nm的GaN緩沖層；

(6)InGaN/GaN多量子阱的外延生長：采用分子束外延生長工藝，生長溫度為750℃，在反應室的壓力為2.0×10^-5Pa、生長速度為0.4ML/s條件下，在步驟(5)得到的第二GaN緩沖層上生長InGaN/GaN多量子阱；所述InGaN/GaN量子阱為10個周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為3nm，GaN壘層的厚度為13nm；

本實施例制備的ScMgAlO₄襯底上的InGaN/GaN多量子阱無論是在表面形貌上，還是在光電性能上都具有非常好的性能，測試數據與實施例1相近，在此不再贅述。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。