一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其包括金属Al衬底、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底上生长的Al

LED epitaxial sheet growing on metal Al substrate, preparation method and application thereof

The present invention discloses a LED epitaxial sheet grown on a metal Al substrate, comprising a metal Al substrate, a metal Al substrate (111), an epitaxial surface, and an Al grown on a metal Al substrate

【技术实现步骤摘要】
一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用
本专利技术涉及金属有机化学气相沉积法合成膜的
，具体涉及一种生长在金属Al衬底上的LED外延片及其制备方法和应用；主要应用在各种介电层薄膜体声波谐振器、逻辑电路、发光二极管、光电薄膜器件，太阳能电池、光电二极管、光电探测器，激光器等领域。
技术介绍
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。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。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(150lm/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(6.63×10-6/K)较GaN的热膨胀系数(5.6×10-6/K)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℃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。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Al作为外延氮化物的衬底材料，具有三大其独特的优势。第一，金属Al有很高的热导率，Al的热导率为2.37W/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Al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Al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。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。但是金属Al衬底在化学性质不稳定，当外延温度高于700℃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。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，通过选择合适的晶体取向，Al(111)衬底上获得的高质量GaN外延薄膜，以提高了LED的发光效率。本专利技术的另一目的在于提供一种生长在金属Al衬底上的LED外延片的制备方法，工艺独特而简单易行，具有可重复性、降低器件的制造成本。本专利技术的又一目的在于提供本专利技术所述的生长在金属Al衬底上的LED外延片在制作声波谐振器、逻辑电路、发光二极管、光电薄膜器件，太阳能电池、光电二极管、光电探测器，激光器等器件的介电层薄膜的应用。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其包括金属Al衬底、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底上生长的Al2O3保护层，以及以晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，在Al2O3保护层上由下自上生长的U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN薄膜。专利技术人发现在Al衬底上直接外延GaN薄膜很困难，通过研究表明在先Al衬底生长一层Al2O3保护层，一方面可以防止Al离子扩散到外延层中；另一方面Al2O3为外延生长GaN薄膜提供有利的条件。作为本专利技术的一种优选的方案，所述Al2O3保护层的厚度为15-25nm。所述N-GaN薄膜层的厚度为3-6μm。作为本专利技术的一种优选的方案，所述InGaN/GaN多量子阱层包括7个周期生长的7层InGaN阱层和7层垒层，所述InGaN为阱层和层垒层交错叠加；每层InGaN阱层厚度为2-4nm，每层垒层厚度为10-15nm。作为本专利技术的一种优选的方案，所述p型GaN薄膜的厚度为320-360nm。一种生长在金属Al衬底上的LED外延片的制备方法，其步骤如下：1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底表面抛光、清洗、退火处理；2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层Al层，待衬底温度为650-750℃时通入O2至形成Al2O3层，保温20-40min，获得一层Al2O3保护层；3)U-GaN薄膜外延生长：选择的晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，采用脉冲激光沉积法在Al2O3保护层上生长一层U-GaN薄膜；4)N-GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法在U-GaN薄膜上生长一层U-GaN薄膜；5)InGaN/GaN多量子阱层的外延生长：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上生长InGaN/GaN多量子阱层；6)p型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其特征在于：其包括金属Al衬底、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底上生长的Al

【技术特征摘要】
1.一种生长在金属Al衬底上的LED外延片，其特征在于：其包括金属Al衬底、以金属Al衬底(111)晶面为外延面，在金属Al衬底上生长的Al2O3保护层，以及以晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，在Al2O3保护层上由下自上生长的U-GaN薄膜层、N-GaN薄膜层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN薄膜；该生长在金属Al衬底上的LED外延片通过以下方法制备而成：1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底表面抛光、清洗、退火处理；2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层Al层，待衬底温度为650-750℃时通入O2至形成Al2O3层，保温20-40min，获得一层Al2O3保护层；3)U-GaN薄膜外延生长：选择的晶体外延取向关系为GaN(0001)//Al2O3(0001)//Al(111)，采用脉冲激光沉积法在Al2O3保护层上生长一层U-GaN薄膜；4)N-GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法在U-GaN薄膜上生长一层N-GaN薄膜；5)InGaN/GaN多量子阱层的外延生长：采用分子束外延法MBE在N-GaN薄膜上生长InGaN/GaN多量子阱层；6)p型GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积法在InGaN/GaN多量子阱层上生长p型GaN薄膜。2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述保护层的厚度为15-25nm，所述N-GaN薄膜层的厚度为3-6μm。3.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱层包括7个周期生长的7层InGaN阱层和7层垒层，所述InGaN/GaN多量子阱层为阱层和垒层交错叠加；每层InGaN阱层厚度为2-4nm，每层垒层厚度为10-15nm。4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于：所述p型GaN薄膜的厚度为320-360nm。5.一种如权利要求1-4任一项所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，其步骤如下：1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底表面抛光、清洗、退火处理；2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层Al层，待衬底温度为650-750℃时通入O2至形成Al2O3层，保温20-40min，获得一层Al2O...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：广州市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44