生長在玻璃襯底上的LED外延片及其制備方法與流程

本發明涉及LED外延片及制備方法，特別涉及生長在玻璃襯底上的LED外延片及制備方法。

背景技術：

發光二極管(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、環保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點，在室外照明、商業照明以及裝飾工程等領域都具有廣泛的應用。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題。以低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟，將成為經濟發展的重要方向。在照明領域，LED發光產品的應用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢。但是現階段LED的應用成本較高，發光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節能環保的方向發展。

III族氮化物GaN在電學、光學以及聲學上具有極其優異的性質，近幾年受到廣泛關注。GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學和熱穩定性好，熱導率高，熱膨脹系數低，擊穿介電強度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發光效率現在已經達到28％并且還在進一步的增長，該數值遠遠高于目前通常使用的白熾燈(約為2％)或熒光燈(約為10％)等照明方式的發光效率。

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，同時降低LED芯片的價格。雖然LED的發光效率已經超過日光燈和白熾燈，但是商業化LED發光效率還是低于鈉燈(150lm/W)，單位流明/瓦的價格偏高。目前大多數GaN基LED都是基于藍寶石和SiC襯底上進行外延生長，大尺寸的藍寶石和SiC襯底價格昂貴，導致LED制造成本高。因此迫切尋找一種價格低廉的襯底材料應用于外延生長GaN基LED外延片。

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玻璃襯底上的LED外延片，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玻璃襯底上的LED外延片的制備方法，具有生長工藝簡單，制備成本低廉的優點。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

生長在玻璃襯底上的LED外延片，包括生長在玻璃襯底上的鋁金屬層，生長在鋁金屬層上的銀金屬層，生長在銀金屬層上的AlN緩沖層，生長在AlN緩沖層上的GaN緩沖層，生長在GaN緩沖層上的非摻雜GaN層，生長在非摻雜GaN層上的n型摻雜GaN薄膜，生長在n型摻雜GaN薄膜上的InGaN/GaN多量子阱，生長在InGaN/GaN多量子阱上的p型摻雜GaN薄膜。

所述鋁金屬層的厚度為150～200μm。

所述銀金屬層的厚度為100～300nm。

所述AlN緩沖層的厚度為5～50nm。

所述GaN緩沖層的厚度為50～80nm。

所述非摻雜GaN層的厚度為200～300nm。

所述n型摻雜GaN薄膜的厚度為3～5μm。

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。

所述p型摻雜GaN薄膜的厚度為300～350nm。

所述的生長在玻璃襯底上的LED外延片的制備方法，包括以下步驟：

(1)玻璃襯底表面拋光、清洗；

(2)鋁金屬層的生長：在分子束外延系統中，在襯底溫度為400～600℃條件下，沉積鋁金屬層；

(3)銀金屬層的生長：在分子束外延系統中，采用分子束外延系統中的電子束蒸發功能，在襯底溫度為400～600℃條件下，沉積的銀金屬層；

(4)AlN緩沖層的生長：襯底溫度調為450～550℃，在反應室的壓力為4.0～7.2×10^-5Pa、生長速度為0.2～0.8ML/s的條件下沉積金屬鋁薄膜，然后采用氮等離體子源對該金屬鋁薄膜進行氮化，等離體子源的功率為300～450W，氮氣流量為1～5sccm，氮化時間為10～50分鐘，獲得AlN薄膜；

(5)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450～550℃，在反應室的壓力為6.0～7.2×10^-5Pa、束流比V/III值為50～60、生長速度為0.4～0.6ML/s的條件下生長GaN緩沖層；

(6)非摻雜GaN層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為500～600℃，在反應室的壓力為4.0～5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30～40、生長速度為0.6～0.8ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN緩沖層上生長非摻雜GaN；

(7)n型摻雜GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底溫度升至650～750℃，在反應室壓力為5.0～6.0×10^-5Pa、束流比V/III值為40～50、生長速度為0.6～0.8ML/s條件下，在非摻雜GaN層上生長n型摻雜GaN薄膜；

(8)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750～850℃，在反應室的壓力為4.0～5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30～40、生長速度為0.4～0.6ML/s條件下，在n型摻雜GaN薄膜上生長InGaN/GaN多量子阱；

(9)p型摻雜GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底溫度調至650～750℃，反應室的壓力5.0～6.0×10^-5Pa、束流比V/III值30～40、生長速度0.6～0.8ML/s條件下，在InGaN/GaN多量子阱上生長p型摻雜GaN薄膜。

與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：

(1)本發明的生長在玻璃襯底上的LED外延片，能有效的減少位錯的形成，制備出高質量LED外延片，有利提高了載流子的輻射復合效率，可大幅度提高LED的發光效率。

(2)本發明的生長在玻璃襯底上的LED外延片，在進行玻璃襯底去除之后，鋁金屬層具有作為支撐層、導電、導熱的功能；銀金屬層具有光線發射的功能。在預先沉積鋁金屬、銀金屬層上進行GaN薄膜的生長，為制備低成本、高導熱、高導電、高發光性能LED奠定了基礎。

(3)本發明使用玻璃作為襯底，玻璃襯底容易獲得，價格便宜，有利于降低生產成本。

(4)本發明采用玻璃襯底，具有容易去除的優點，然后在去除玻璃襯底后的LED外延片上制作n型電極，從而可以有利于制備垂直結構的LED。

(5)本發明采用在銀金屬上沉積一層金屬鋁薄膜，然后進行氮化處理，形成AlN層，有利于后續GaN的生長，克服了無法在非晶態的玻璃襯底上直接生長LED外延片的技術難題；采用了低溫(450～550℃)外延技術在AlN緩沖層上先外延生長一層GaN緩沖層，通過生長GaN緩沖層可以獲得島狀GaN，為下一步沉積高質量低缺陷的非摻雜GaN薄膜做鋪墊，有利于提高載流子的輻射復合效率，可大幅度提高氮化物器件的發光效率，有望制備出高效LED的器件。

(6)本發明的生長工藝獨特而簡單易行，具有可重復性。

(7)本發明可通過摻入不同的組分調制出耐高溫的玻璃襯底。

附圖說明

圖1是實施例1制備的LED外延片的截面示意圖。

圖2是實施例1制備的LED外延片的電致發光(EL)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

如圖1所示，本實施例制備的生長在玻璃襯底上的LED外延片，包括生長在玻璃襯底10上的鋁金屬層11，生長在鋁金屬層11上的銀金屬層12，生長在銀金屬層12上的AlN緩沖層13，生長在AlN緩沖層13上的GaN緩沖層14，生長在GaN緩沖層14上的非摻雜GaN層15，生長在非摻雜GaN層15上的n型摻雜GaN薄膜16，生長在n型摻雜GaN薄膜16上的InGaN/GaN量子阱17，生長在InGaN/GaN量子阱上17的p型摻雜GaN薄膜18。

本實施例的生長在玻璃襯底上的LED外延片的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底的選取：采用普通玻璃襯底；

(2)襯底表面拋光、清洗處理；

所述襯底表面拋光，具體為：

首先將玻璃襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法進行拋光處理；

所述清洗，具體為：

將玻璃襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3分鐘，去除玻璃襯底表面粘污顆粒，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；

(3)鋁金屬層的生長：在分子束外延系統中，在襯底溫度為400℃條件下，沉積厚度為150μm的鋁金屬層；

(4)銀金屬層的生長：在分子束外延系統中，采用分子束外延系統中的電子束蒸發功能，在襯底溫度為400℃條件下，沉積厚度為100nm厚度的銀金屬層；

(5)AlN緩沖層的生長：襯底溫度調為500℃，在反應室的壓力為4.0×10^-5Pa、生長速度為0.2ML/s的條件下沉積厚度為10nm的金屬鋁薄膜，然后采用氮等離體子源對該鋁層進行氮化，氮等離體子源的功率為300W，氮氣流量為1.5sccm，氮化時間為10分鐘，獲得AlN薄膜。

(6)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為500℃，在反應室的壓力為6.0×10^-5Pa、束流比V/III值為50、生長速度為0.4ML/s的條件下生長厚度為50nm的GaN緩沖層；

(7)非摻雜GaN層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為500℃，在反應室的壓力為4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長速度0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN緩沖層上生長厚度為200nm的非摻雜GaN薄膜。

(8)n型摻雜GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為650℃，在反應室壓力為5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為40、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(5)得到的非摻雜GaN層上生長厚度為3μm的n型摻雜GaN薄膜；

(9)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4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長速度為0.4ML/s條件下，在步驟(6)得到的n型摻雜GaN薄膜上生長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；

(10)p型摻雜GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為650℃，在反應室的壓力為5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(7)得到的InGaN/GaN多量子阱上生長的厚度為300nm的p型摻雜GaN薄膜，經測定，本實施例制備的p型摻雜GaN薄膜的粗糙度RMS值低于1.6nm；表明獲得表明光滑的高質量的p型摻雜GaN薄膜。

圖2是本發明制備出的LED外延片的EL圖譜，其電致發光峰為455.6nm，半峰寬為22.2nm，達到目前照明要求水平，顯示出了本發明制備的LED器件優異的電學性能。

實施例2

本實施例的生長在玻璃襯底上的LED外延片的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底的選取：采用普通玻璃襯底；

(2)襯底表面拋光、清洗處理；

所述襯底表面拋光，具體為：

首先將玻璃襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法進行拋光處理；

所述清洗，具體為：

將玻璃襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除玻璃襯底表面粘污顆粒，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；

(3)鋁金屬層的生長：在分子束外延系統中，在襯底溫度為600℃條件下，沉積厚度為200μm的鋁金屬層；

(4)銀金屬層的生長：在分子束外延系統中，采用分子束外延系統中的電子束蒸發功能，在襯底溫度為600℃條件下，沉積厚度為300nm厚度的銀金屬層；

(5)AlN緩沖層的生長：襯底溫度為550℃，在反應室的壓力為7.2×10^-5Pa、生長速度為0.2ML/s的條件下沉積厚度為20nm的金屬鋁薄膜，然后采用氮等離體子源對該鋁層進行氮化，氮等離體子源的功率為300W，氮氣流量為1.5sccm，氮化時間為20分鐘，獲得AlN薄膜。

(6)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度為550℃，在反應室的壓力為6.0×10^-5Pa、束流比V/III值為50、生長速度為0.4ML/s的條件下生長厚度為50nm的GaN緩沖層；

(7)非摻雜GaN層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為600℃，在反應室的壓力為4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長速度0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN緩沖層上生長厚度為200nm的非摻雜GaN薄膜。

(8)n型摻雜GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為750℃，在反應室壓力為5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為40、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(5)得到的非摻雜GaN層上生長厚度為3μm的n型摻雜GaN薄膜；

(9)InGaN/GaN多量子阱的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為850℃，在反應室的壓力為4.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長速度為0.4ML/s條件下，在步驟(6)得到的n型摻雜GaN薄膜上生長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；

(10)p型摻雜GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為750℃，在反應室的壓力為5.0×10^-5Pa、束流比V/III值為30、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(7)得到的InGaN/GaN多量子阱上生長的厚度為300nm的p型摻雜GaN薄膜。

本實施例制備的玻璃襯底上的LED外延片無論是在電學性質、光學性質上，還是在缺陷密度、結晶質量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。