生长在Cu衬底的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。本发明专利技术在金属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。

【技术实现步骤摘要】
生长在Cu衬底的LED外延片及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种LED外延片，特别是涉及一种生长在Cu衬底的LED外延片及其制备方法和应用。
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(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。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。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。
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Cu衬底的LED外延片及其制备方法和应用，本专利技术在金属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。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下: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。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]。优选的，所述AlN缓冲层厚度为IOOnm ;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。生长在Cu衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括: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]；2)衬底表面处理:对Cu衬底表面进行抛光、清洗以及退火处理；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。优选的，所述步骤2)中抛光处理是将Cu衬底表面用金刚石泥浆进行抛光至没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理；所述清洗处理是将Cu衬底放入去离子水中室温下超声清洗3-5min后，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，最后用高纯干燥氮气吹干；所述退火处理是将Cu衬底放入压强为2X 10_lclTorr的UHV-PLD的生长室内，在550_650°C空气中高温处理l_2h，然后冷却至室温。优选的，所述AlN缓冲层的外延生长工艺为:衬底温度400-600°C，反应室压力为8-10 X KT3Torr, V / III比为 50-60，生长速度为 0.4-0.6ML/s ；所述U-GaN薄膜层的外延生长工艺为:采用PLD技术，衬底温度600-800°C，反应室压力 3-4 X KT3Torr，V / III值 50-60本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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Cu衬底以(111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为AlN[ll-20]//Cu[l-10]。3.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IOOnm ;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。4.权利要求1所述生长在Cu衬底的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括: 1)衬底以及其晶向的选取:米用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]； 2)衬底表面处理:对Cu衬底表面进行抛光、清洗以及退火处理； 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。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中抛光处理是将Cu衬底表面用金刚石泥浆进行抛光至没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理；所述清洗处理是将Cu衬底放入去离子水中室温下超声清洗3-5min后，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，最后用高纯干燥氮气吹干；所述退火处理是...

【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