生长在Cu衬底的LED外延片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种生长在Cu衬底的LED外延片，包括Cu衬底、AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜，所述AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜依次生长在Cu衬底上。本实用新型在金属Cu新型衬底上采用低温生长工艺外延生长GaN薄膜，获得了高质量LED外延片；采用的金属Cu衬底，生长工艺简单、价格便宜，可大幅度降低器件的制造成本；通过选择合适的晶体取向，Cu(111)衬底上获得的高质量GaN外延薄膜，可大幅度提高氮化物器件如光电探测器的效率。
【专利说明】生长在Cu衬底的LED外延片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种LED外延片，特别是涉及一种生长在Cu衬底的LED外延片。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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(1501m/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(6.63Χ10_7Κ)较GaN的热膨胀系数(5.6XlO-6A)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°C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。
[0005]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Cu作为外延氮化物的衬底材料，具有四大其独特的优势。第一，金属Cu有很高的热导率，Cu的热导率为4.19W/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Cu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Cu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，。第四，光滑的金属Cu表面可以反射经过衬底表面的光，从而提高LED的出光效率。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。
[0006]但是金属Cu衬底在化学性质不稳定，当外延温度高于620°C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。如何在Cu衬底生长高质量的LED外延片仍是一个技术问题。
实用新型内容
[0007]为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在Cu衬底的LED外延片，本实用新型在金属Cu新型衬底上采用低温生长工艺外延生长GaN薄膜，获得了高质量LED外延片；采用的金属Cu衬底，生长工艺简单、价格便宜，可大幅度降低器件的制造成本；通过选择合适的晶体取向，Cu(Ill)衬底上获得的高质量GaN外延薄膜，可大幅度提高氮化物器件如光电探测器的效率。
[0008]为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下:
[0009]生长在Cu衬底的LED外延片，包括Cu衬底、AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜，所述AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜依次生长在Cu衬底上。
[0010]优选的，所述Cu衬底以(111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为Α1Ν[11-20]//Cu[l-10]。
[0011]优选的，所述AlN缓冲层厚度为10nm ;所述U-GaN薄膜层厚度为200_350nm ;所述N-GaN薄膜层厚度为4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN阱层厚度为3-5nm, GaN垒层厚度为10_15nm，周期数为5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度为300_400nm。
[0012]相比现有技术，本实用新型的有益效果在于:
[0013]1、本实用新型使用了金属Cu作为衬底，用过生长AlN缓冲层可以获得衬底与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，极大的提高了 LED的发光效率；
[0014]2、本实用新型使用了 Cu作为衬底，Cu衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本；
[0015]3、本实用新型制备采用热导率较高的金属Cu作为衬底，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，有利于提高LED器件的寿命；
[0016]4、本实用新型采用了低温外延技术在Cu衬底上先生长一层10nm的低温AlN缓冲层；在低温下能保证Cu衬底的稳定性，减少Cu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外延层打下良好基础；
[0017]综上所述，本实用新型技术生长衬底非常规，生长工艺独特而简单易行，具有可重复性、外延生长的GaN基LED外延片缺陷密度低、晶体质量高，电学和光学性质优异等优点，可广泛应用于LED器件、半导体光电探测器、太阳能电池器件等领域，便于推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型中生长在Cu衬底的LED外延片结构示意图；
[0019]图2是本实用新型中实施例1制备的LED外延片的HRXRD图谱；
[0020]图3是本实用新型中实施例1制备的LED外延片的光致发光图谱；
[0021]图4是本实用新型中实施例1制备的LED外延片的电致发光图谱；
[0022]图5是本实用新型中实施例2制备的LED外延片的HRXRD图谱；
[0023]图6是本实用新型中实施例2制备的LED外延片的光致发光图谱；
[0024]图7是本实用新型中实施例2制备的LED外延片的电致发光图谱；
[0025]其中，I为Cu衬底、2为AlN缓冲层、3为U-GaN薄膜层、4为N-GaN薄膜层、5为InGaN/GaN多量子阱层6为P-GaN薄膜。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0027]如图1所示，为本实用新型中生长在Cu衬底的LED外延片，包括Cu衬底1、AlN缓冲层2、U-GaN薄膜层3、N-GaN薄膜层4、InGaN/GaN多量子阱层5和P-GaN薄膜6，所述AlN缓冲层2、U-GaN薄膜层3、N-GaN薄膜层4、InGaN/GaN多量子阱层5和P-GaN薄膜6依次生长在Cu衬底I上。
[0028]优选方案中，所述Cu衬底I以(111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为AlN[11-20] //Cu [1-10];所述AlN缓冲层厚度为10nm ；所述U-GaN薄膜层厚度为200-350nm ;所述N-GaN薄膜层厚度为4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN阱层厚度为3-5nm，GaN垒层厚度为10_15nm，周期数为5-10 ;所述Ρ-GaN薄膜厚度为300_400nmo
[0029]实施例1
[0030]生长在Cu衬底的LED外延片的制备方法，包括以下步骤:
[0031]I)衬底以及其晶向的选取:采用Cu衬底，以(111)面为外延面，晶体外延取向关系为:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0032]2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理:首先，将Cu衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再米用化学机械抛光的方法进行抛光处理；其次,将Cu衬底放入去离子水中室温下超声清洗5min，去除Cu衬底表面粘污颗粒，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干；最后，将Cu衬底放入压强为2 X 1^10Torr的UHV-PLD的生长室内，在550°C空气中高温处理Ih，然后冷却至室温。
[0033]3)在步骤2)处理后的Cu衬底上依次进行AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜的外延生长，即得所述生长在Cu衬底的LED外延片。
[0034]AlN缓冲层的外延生长:将Cu(Ill)衬底10温度降至550°C，反应室压力为1XlO^Torr, V / III比为50，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248_3 = 20118)?0)烧蚀4故靶材(99.99% )，在沉积AlN缓冲层时，生长室内压力N2 (99.9999% )保持在10 X KT3Torr，生长速度0.6ML/s条件下生长10nm的低温AlN缓冲层；
[0035]U-GaN薄膜层采用PLD外延生长，将衬底温度升至700 °C，在反应室压力4X10_3Torr、V /III值40、生长速度0.8ML/s条件下，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD烧蚀用靶材Ga (99.9999% )和射频等离子体自由基发生器被用来作为氮源在AlN缓冲层上反应生成厚度为200nm的U-GaN薄膜层。
[0036]N-GaN薄膜层采用PLD外延生长，其外延层的厚度为5000nm，其载流子的浓度为IXlO1W0生长条件是温度降至500°C，在反应室压力4X l(T3Torr、V /III值40、生长速度
0.8ML/s条件下，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm,t = 20ns) PLD烧蚀用靶材Ga (99.9999% )和射频等离子体自由基发生器被用来作为氮源在N-GaN薄膜层上反应生成N-GaN薄膜层。
[0037]InGaN/GaN多量子阱层采用MBE外延生长，温度升至750 °C，在反应室压力4X10_5Torr、V /III值40、生长速度0.6ML/s条件下，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD烧蚀用靶材Ga (99.9999% )和射频等离子体自由基发生器被用来作为氮源反应生成InGaN/GaN多量子阱层，其中InGaN阱层为3nm,鱼层为13nm,生长7个周期数,厚度为112nm.
[0038]P-GaN薄膜采用PLD外延生长，温度降至500°C，在反应室压力4X 10_lclTorr、
V/III值40、生长速度0.8ML/S条件下，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD烧蚀用靶材Ga (99.9999% )和射频等离子体自由基发生器被用来作为氮源在InGaN/GaN多量子阱层上反应生成P-GaN薄膜，厚度为350nm，其载流子浓度为2X 1016cm_3，最后电子束蒸发形成欧姆接触，即制得生长在Cu衬底的LED外延片。
[0039]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。
[0040]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，FffHM是22.5nm,显示出良好的光电性能。
[0041]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, FffHM是22nm，显示出了本实用新型LED器件的优异的电学性能。
[0042]将本实施例制备的生长在金属Cu衬底上的LED外延片用于制备半导体光电探测器:在本实施例制备的生长在金属Cu衬底上的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3 μ m,其载流子的浓度为I X 119CnT3 ;非掺杂GaN厚度约为200nm，其载流子浓度为
2.2 X 11W3丨型掺镁的GaN度约为1.5μπι。本实施例所制备的光电探测器在IV偏压下，暗电流仅为66pA，并且器件在IV偏压下，在36Inm处响应度的最大值达到了 0.91A/W。
[0043]将本实施例制备的生长在金属Cu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Cu衬底上的AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、InxGa1^xN缓冲层、N型掺硅InxGai_xN、P型掺镁的InxGa1J,最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中生长具有成分梯度的InxGahN缓冲层X的值可以在0-0.2之间可调，然后生长N型掺硅InxGa1A外延层的厚度约为5 μ m,其载流子的浓度为I X 11W30接着生长InxGapxN多量子讲层，厚度约为300nm，周期数为20，其中Ina2Gaa8N讲层为3nm，Inatl8Gaa92N垒层为10nm。再生长Mg掺杂的P型InxGa^xN层，厚度约为200nm，其载流子浓度为2 X 116cnT3,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；即制备得InGaN太阳能电池器件。
[0044]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。
[0045]实施例2
[0046]生长在Cu衬底的LED外延片的制备方法，包括以下步骤:
[0047]I)衬底以及其晶向的选取:采用Cu衬底，以(111)面为外延面，晶体外延取向关系为:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0048]2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理:首先，将Cu衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再米用化学机械抛光的方法进行抛光处理；其次,将Cu衬底放入去离子水中室温下超声清洗4min，去除Cu衬底表面粘污颗粒，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干；最后，将Cu衬底放入压强为2X 1^10Torr的UHV-PLD的生长室内，在650°C空气中高温处理2h，然后冷却至室温。
[0049]3)在步骤2)处理后的Cu衬底上依次进行AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜的外延生长，即得所述生长在Cu衬底的LED外延片。
[0050]AlN缓冲层的外延生长:将Cu(Ill)衬底10温度降至550°C，反应室压力为1XlO^Torr, V / III比为60，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248_3 = 20118)?0)烧蚀4故靶材(99.99% )，在沉积AlN缓冲层时，生长室内压力N2 (99.9999% )保持在10 X KT3Torr，生长速度0.6ML/s条件下生长10nm的低温AlN缓冲层；
[0051]U-GaN薄膜层采用PLD外延生长，将衬底温度升至700 °C，在反应室压力
3.5 X 1^3Torr, V / III值40、生长速度0.75ML/s条件下，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD烧蚀用靶材Ga (99.9999% )和射频等离子体自由基发生器被用来作为氮源在AlN缓冲层上反应生成厚度为300nm的U-GaN薄膜层。
[0052]N-GaN薄膜层采用PLD外延生长，其外延层的厚度为4500nm，其载流子的浓度为IXlO1W0生长条件是温度降至500°C，在反应室压力4X 1-4Torr、V /III值40、生长速度
0.8ML/s条件下，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm,t = 20ns) PLD烧蚀用靶材Ga (99.9999% )和射频等离子体自由基发生器被用来作为氮源在N-GaN薄膜层上反应生成N-GaN薄膜层。
[0053]InGaN/GaN多量子阱层采用MBE外延生长，温度升至750 °C，在反应室压力I X 10_5Torr、V / III值40、生长速度0.6ML/s条件下，生长InGaN/GaN多量子阱层，其中InGaN讲层为3nm,鱼层为13nm,生长7个周期数,厚度为112nm.
[0054]P-GaN薄膜采用PLD外延生长，温度降至500°C，在反应室压力3.5X 10_5Torr、
V/III值40、生长速度0.7ML/S条件下，用能量为3.0J/cm2以及重复频率为20Hz的KrF准分子激光(λ = 248nm, t = 20ns) PLD烧蚀用靶材Ga (99.9999% )和射频等离子体自由基发生器被用来作为氮源在InGaN/GaN多量子阱层上反应生成P-GaN薄膜，厚度为400nm，其载流子浓度为2X 1016cm_3，最后电子束蒸发形成欧姆接触，即制得生长在Cu衬底的LED外延片。
[0055]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。
[0056]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，FffHM是22.5nm,显示出良好的光电性能。
[0057]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, FffHM是22nm，显示出了本实用新型LED器件的优异的电学性能。
[0058]将本实施例制备的生长在金属Cu衬底上的LED外延片用于制备半导体光电探测器:在本实施例制备的生长在金属Cu衬底上的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P型掺硅GaN厚度约为3 μ m,其载流子的浓度为I X 119CnT3 ;非掺杂GaN厚度约为200nm，其载流子浓度为
2.2 X 11W3丨型掺镁的GaN度约为1.5μπι。本实施例所制备的光电探测器在IV偏压下，暗电流仅为66ρΑ，并且器件在IV偏压下，在36Inm处响应度的最大值达到了 0.91A/W。
[0059]将本实施例制备的生长在金属Cu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Cu衬底上的AlN薄膜上依次外延生长非掺杂GaN、InxGa1^xN缓冲层、N型掺硅InxGai_xN、P型掺镁的InxGa1J,最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中生长具有成分梯度的InxGahN缓冲层X的值可以在0-0.2之间可调，然后生长N型掺硅InxGa1A外延层的厚度约为5 μ m,其载流子的浓度为I X 11W30接着生长InxGapxN多量子讲层，厚度约为300nm，周期数为20，其中Ina2Gaa8N讲层为3nm，Inatl8Gaa92N垒层为10nm。再生长Mg掺杂的P型InxGa^xN层，厚度约为200nm，其载流子浓度为2 X 116cnT3,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；即制备得InGaN太阳能电池器件。
[0060]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外延片的相关结果，具有良好的应用前景。
[0061]对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.生长在Cu衬底的LED外延片，其特征在于，包括Cu衬底、AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜，所述AlN缓冲层、U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN薄膜依次生长在Cu衬底上。
2.如权利要求1所述的生长在Cu衬底的LED外延片，其特征在于，所述AlN缓冲层厚度为10nm ;所述U-GaN薄膜层厚度为200_350nm ;所述N-GaN薄膜层厚度为4000-5000nm ；所述InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN阱层厚度为3_5nm，GaN垒层厚度为10_15nm，周期数为5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度为300_400nm。
【文档编号】H01L33/64GK203950831SQ201420289187
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】李国强 申请人:广州市众拓光电科技有限公司