生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED及其制备方法技术

本发明专利技术属于纳米柱LED制备的技术领域，公开了生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED及其制备方法。所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED包括铝酸锶钽镧衬底，生长在铝酸锶钽镧衬底上的AlN成核层，生长在AlN成核层上的GaN纳米柱模板，生长在GaN纳米柱模板上的AlN/GaN超晶格层，生长在AlN/GaN超晶格层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN层。本发明专利技术的衬底材料成本低廉，所制备的纳米柱阵列尺寸可控，取向均一，所得的纳米柱LED的缺陷密度低、电学和光学性能优良。

Nano column LED grown on strontium aluminate tantalum substrate and preparation method thereof

The invention belongs to the technical field of the preparation of the nano column LED, and discloses a nanometer column LED which is grown on the strontium aluminate lanthanum substrate and a preparation method thereof. The LED nanorods growth in lanthanum strontium aluminate tantalum substrate comprises lanthanum strontium aluminate tantalum substrate, growth in lanthanum strontium aluminate tantalum substrate AlN nucleation layer growth in AlN GaN nano column template nuclear layer, growth in nano GaN column template on AlN/GaN superlattice layer. The growth of undoped GaN layer in AlN/GaN superlattice layer, n doped GaN layers grown on undoped GaN layer, InGaN/GaN quantum well grown on N doped GaN layer, P GaN layer doped InGaN/GaN quantum well growth in the. The substrate material of the invention has the advantages of low cost, controllable size and uniform orientation of the prepared nano column array, and low density of defects of the nanometer LED, excellent electrical and optical properties.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米阵列LED生长与制备领域，特别涉及生长在铝酸锶钽镧(La0.3Sr1.7AlTaO6)衬底上的纳米柱LED及其制备方法。
技术介绍
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，已经被广泛地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。近年来，GaN基纳米柱LED作为一种具有潜力的LED结构而备受关注，这是由于与平面结构LED相比，首先纳米柱LED具有高的面容比(面积/体积)，能够显著降低穿透位错密度；其次，纳米柱LED可大幅度提高LED的出光效率，实现光的耦合出射；最后可通过控制纳米柱LED的尺寸，改变纳米柱LED的发光波长，制备出单芯片多色发光的纳米柱LED，为实现低成本白光LED的制备开辟了新的道路。目前GaN纳米柱的生长方法主要有催化剂法、无催化剂法、选区生长法。催化剂法以Au、Pt、Ni等为催化剂诱导GaN的Vaporliquidsolid(VLS)生长机制，使气体反应物溶入纳米尺寸的催化金属液滴中，因过饱和而生长成纳米单晶柱或线。然而催化剂法难以控制GaN纳米柱的成核密度、排列状况以及晶体质量。同时，催化剂会在外延过程中作为杂质并入外延材料中，大大降低器件的电学及光学性能。无催化剂法通过控制合适的生长条件，包括V/III以及缓冲层的应用等外延生长GaN纳米柱。虽然这种方法生长的自组装GaN纳米柱无催化剂污染，晶体质量高，但是由于缺乏催化剂的定位及诱发，纳米柱分布缺乏规律且尺寸难控制，均匀性差。选区生长法是通过成熟的刻蚀工艺将人为设计的均一掩膜版图案转移至外延层，为纳米柱的生长提供分布均匀的形核位置，有利于制作尺寸可控且均匀分布的纳米柱LED。因此，选择合适的生长技术制备尺寸可控，取向均一的纳米柱阵列具有重要意义。要进一步提高纳米柱LED的性能，还面临的另一个严峻挑战在于商业化的LED主要是在蓝宝石衬底上外延生长的，蓝宝石与GaN的晶格失配和热失配高，导致GaN纳米柱中形成很高的位错密度，从而降低材料的载流子迁移率，最终影响了器件的性能。La0.3Sr1.7AlTaO6衬底与GaN的晶格失配和热失配分别仅为0.1％和3.6％，是外延GaN最佳衬底之一。但La0.3Sr1.7AlTaO6衬底高温下化学性质不稳定，因此要使La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上纳米柱LED能够真正实现大规模应用，需要寻找La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上生长纳米柱LED的新方法及工艺。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED及制备方法，所选择的铝酸锶钽镧衬底材料成本低廉，所制备的纳米柱阵列尺寸可控，取向均一，所获得的纳米柱LED的缺陷密度低、电学和光学性能优良。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，包括La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，生长在La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上的AlN成核层，生长在AlN成核层上的GaN纳米柱模板，生长在GaN纳米柱模板上的AlN/GaN超晶格层，生长在AlN/GaN超晶格层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN层。所述GaN纳米柱模板为GaN纳米柱阵列，所述GaN纳米柱模板是由生长在AlN成核层上的GaN缓冲层通过TracePro软件优化纳米柱排布，再采用纳米压印技术和刻蚀技术制备而成。所述La0.3Sr1.7AlTaO6衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面；晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面。所述AlN成核层的厚度为100～200nm；所述GaN纳米柱模板的高度为500～1000nm，直径为100～200nm，相邻间距为150～250nm。所述AlN/GaN超晶格层为为15～25个周期的AlN层/GaN层，总厚度为30～100nm，其中AlN层的厚度为1～2nm，GaN层的厚度为1～2nm。非掺杂GaN层的厚度为200～300nm；n型掺杂GaN层的厚度为2～4μm；InGaN/GaN量子阱为8～13个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3～5nm，GaN垒层的厚度为10～15nm；p型掺杂GaN层的厚度为300～350nm。所述AlN成核层是采用脉冲激光沉积(PLD)技术来实现低温(温度为450～550℃)下外延生长，能够有效缓解La0.3Sr1.7AlTaO6衬底高温下不稳定，与缓冲层之间发生严重界面反应的问题。所述纳米柱模板通过采用TracePro软件优化纳米柱排布，采用纳米压印技术在缓冲层上制备，所获得的纳米柱阵列尺寸均匀，然后将所制备的纳米柱模板转移到金属有机化合物气相沉积反应腔(MOCVD)中通过选区生长进行纳米柱LED的制备。所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，还包括隔离层，所述隔离层沉积在GaN纳米柱模板的侧壁和未被GaN纳米柱模板的AlN成核层上。所述隔离层厚度为10～50nm。所述隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3。所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底以及其晶向的选取：采用La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面；(2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入退火室内，在800～900℃下空气氛围中对La0.3Sr1.7AlTaO6衬底进行退火处理3～5小时然后空冷至室温；(3)AlN成核层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为450～550℃，在反应室的压力为6.0×10-3Torr、生长速度为0.2～0.3ML/s的条件下生长100～200nm厚AlN成核层；(4)GaN缓冲层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为650～850℃，在反应室的压力为6.0×10-3Torr、生长速度为0.4～0.6ML/s的条件下在AlN成核层上生长GaN缓冲层，缓冲层厚度为500～1000nm；(5)纳米压印技术刻蚀GaN纳米柱模板：通过采用TracePro软件优化纳米柱排布，利用纳米压印技术和干法刻蚀工艺对GaN缓冲层进行向下刻蚀，得到GaN纳米柱阵列即GaN纳米柱模板，纳米柱的高度为500～1000nm，直径为100～200nm，相邻间距为150～250nm；(6)沉积隔离层：利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射技术在GaN纳米柱模板的侧壁和未被纳米柱覆盖的AIN成核层上沉积隔离层，所述隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10～50nm；(7)AlN/GaN超晶格层的外延生长：将GaN纳米柱模板转移至MOCVD中，将反应室温度保持在650～850℃，在反应室的压力为150～200Torr条件下，在GaN纳米柱模板上(未被隔离层沉积的纳米柱顶部)生长15～25个周期AlN/GaN超晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：包括La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，生长在La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上的AlN成核层，生长在AlN成核层上的GaN纳米柱模板，生长在GaN纳米柱模板上的AlN/GaN超晶格层，生长在AlN/GaN超晶格层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN层。

【技术特征摘要】
1.生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：包括La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，生长在La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上的AlN成核层，生长在AlN成核层上的GaN纳米柱模板，生长在GaN纳米柱模板上的AlN/GaN超晶格层，生长在AlN/GaN超晶格层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的n型掺杂GaN层，生长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN层。2.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：所述La0.3Sr1.7AlTaO6衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面；晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面。3.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：所述GaN纳米柱模板为GaN纳米柱阵列，所述GaN纳米柱模板的高度为500～1000nm，直径为100～200nm，相邻间距为150～250nm；GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面。4.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：所述AlN成核层的厚度为100～200nm；非掺杂GaN层的厚度为200～300nm；n型掺杂GaN层的厚度为2～4μm；p型掺杂GaN层的厚度为300～350nm。5.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：所述AlN/GaN超晶格层为为15～25个周期的AlN层/GaN层，总厚度为30～100nm，其中AlN层的厚度为1～2nm，GaN层的厚度为1～2nm。6.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：InGaN/GaN量子阱为8～13个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3～5nm，GaN垒层的厚度为10～15nm。7.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，还包括隔离层，所述隔离层沉积在GaN纳米柱模板的侧壁和未被GaN纳米柱模板的AlN成核层上。8.根据权利要求7所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED，其特征在于：所述隔离层厚度为10～50nm；所述隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3。9.根据权利要求1～8任一项所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)衬底以及其晶向的选取：采用La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面；(2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入退火室内，在800～900℃下空气氛围中对La0.3Sr1.7AlTaO6衬底进行退火处理3～5小时然后空冷至室温；(3)AlN成核层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为450～550℃，在反应室的压力为6.0×10-3Torr、生长速度为0.2～0.3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，王文樑，杨美娟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44