基于Os衬底的外延结构及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Os衬底的外延结构，其包括Os衬底和依次生长于Os衬底上的AlN过渡层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层及InGaN/GaN多量子阱。其中，所述Os衬底以(100)面作为外延生长面，并且所述Os衬底的晶体外延取向关系为AlN[11‑20]//Os[100]。本发明专利技术还公开了一种制作所述基于Os衬底的外延结构的方法。本发明专利技术提供的基于Os衬底的外延结构质量良好，特别是其中InGaN/GaN多量子阱的结晶质量好、光电性能好、缺陷少，且其制作方法简单易实施，成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种包含InGaN/GaN多量子阱的外延结构及其制备方法，特别涉及一种基于Os衬底上的外延结构及其制作方法。
技术介绍
能源一直是人类面临的一个重大难题，已成为世界各国关注的焦点。从方便性、可靠性以及能源的干净性，太阳能是最为理想的能源之一。并且能从太阳直接获取的能量是非常可观的，估计地球每年可从太阳获取的总能量为4×1024焦耳多结光伏电池作为提升太阳能光电转换效率的重要方案之一，取得了一些阶段性成果。另外，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。III-族氮化物具有直接带隙的特点，正好能满足多结、宽带隙光伏材料的要求。不仅能与Si、GaAs等其他常规电池级联，满足顶电池应用的要求，增加多结太阳能电池在短波波段的光伏响应；也可以在自身的材料体系内制备多结高效太阳能电池，有望获得更高的太阳能转换效率。而且，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。所以研究InGaN/GaN等材料对于太阳能电池和LED器件提升电池效率、降低成本以及带动我国氮化物光电器件的发展和缓解能源危机都具有积极的意义。目前，太阳能电池和LED芯片的效率不够高，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基器件的电学和光学性质。因此迫切需要寻找一种热导率高、可以快速地将器件内热量热量传递出来的材料作为衬底。而金属Os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Os有很高的热导率，Os的热导率为87.6W/cmK，可以将芯片内产生的热量及时的传导出，以降低器件的温度，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Os可以作为生长GaN基垂直结构的电池和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Os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Os物理性质硬而脆，在抛光处理的时候容易破损。而且，衬底在高温下化学性质不稳定，当外延温度高于600℃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。另外，Os金属在高温下容易被氧化成剧毒氧化物，所以在生长时一定要保证生长腔室的真空度。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
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于主要提供一种基于Os衬底的外延结构的制作方法，其具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制作的外延结构，特别是其中的InGaN/GaN多量子阱缺陷密度低、结晶质量好，光电性能好。为实现前述专利技术目的，本专利技术的一实施方案之中提供了一种基于Os衬底的外延结构，其包括Os衬底和依次生长于Os衬底上的AlN过渡层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层及InGaN/GaN多量子阱。进一步的，所述Os衬底以(100)面作为外延生长面。优选的，所述Os衬底的晶体外延取向关系为AlN[11-20]//Os[100]。优选的，所述AlN过渡层的厚度为100-200nm。优选的，所述GaN缓冲层的厚度为80～100nm。优选的，所述非掺杂GaN层的厚度为2～3μm。优选的，所述InGaN/GaN量子阱为5～10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15～18nm。优选的，所述AlN过渡层的生长温度为450～550℃。优选的，所述GaN缓冲层的生长温度为600～700℃。优选的，所述非掺杂GaN层的生长温度为700～800℃。优选的，所述InGaN/GaN多量子阱为在650～750℃生长的InGaN/GaN量子阱。本专利技术的一实施方案之中提供了一种制作所述基于Os衬底的外延结构的制作方法，其包括：(1)采用Os衬底的(100)面为外延面，并且晶体外延取向关系为AlN[11-20]//Os[100]；(2)在所述Os衬底上生长AlN过渡层，生长条件包括：温度为450～550℃、反应室压力为1～3×10-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比为40～50、生长速度为0.5～0.6ML/s；(3)在所述AlN过渡层上生长GaN缓冲层，生长条件包括：温度为600～700℃、反应室压力为1～3×10-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比为50～60、生长速度为0.4～0.6ML/s；(4)在所述GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层，生长条件包括：温度为700～800℃，反应室压力为4～5×10-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值为40～60、生长速度为0.5～0.7ML/s；(5)在所述非掺杂GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱，生长条件包括：温度为650～750℃，反应室压力为3～5.0×10-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值为30～40、生长速度为0.4～0.6ML/s。进一步的，步骤(1)包括：对被选定作为外延面的所述Os衬底表面依次进行物理和/或化学机械抛光、清洗、除杂处理，从而形成所述Os衬底的外延面。作为较佳实施方案之一，步骤(1)包括：以金刚石泥浆对用作外延面的所述Os衬底表面进行抛光，直至以光学显微镜观察到所述Os衬底表面无划痕后，再对所述Os衬底表面进行化学机械抛光处理；对经化学机械抛光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Os衬底的外延结构，其特征在于包括Os衬底和依次生长于Os衬底上的AlN过渡层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层及InGaN/GaN多量子阱。

【技术特征摘要】
1.一种基于Os衬底的外延结构，其特征在于包括Os衬底和依次生长于Os衬底上的AlN过渡层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层及InGaN/GaN多量子阱。2.根据权利要求1所述的基于Os衬底的外延结构，其特征在于所述Os衬底以(100)面作为外延生长面。3.根据权利要求2所述的基于Os衬底的外延结构，其特征在于所述Os衬底的晶体外延取向关系为AlN[11-20]//Os[100]。4.根据权利要求1所述的基于Os衬底的外延结构，其特征在于：所述AlN过渡层的厚度为100-200nm；和/或，所述GaN缓冲层的厚度为80～100nm；和/或，所述非掺杂GaN层的厚度为2～3μm；和/或，所述InGaN/GaN量子阱为5～10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15～18nm。5.根据权利要求1或4所述的基于Os衬底的外延结构，其特征在于：所述AlN过渡层的生长温度为450～550℃；和/或，所述GaN缓冲层的生长温度为600～700℃；和/或，所述非掺杂GaN层的生长温度为700～800℃；和/或，所述InGaN/GaN多量子阱为在650～750℃生长的InGaN/GaN量子阱。6.一种基于Os衬底的外延结构的制作方法，其特征在于包括：(1)采用Os衬底的(100)面为外延面，并且晶体外延取向关系为AlN[11-20]//Os[100]；(2)在所述Os衬底上生长AlN过渡层，生长条件包括：温度为450～550℃、反应室压力为1～3×10-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比为40～50、生长速度为0.5～0.6ML/s；(3)在所述AlN过渡层上生长GaN缓冲层，生长条件包括：温度为600～700℃、反应室压力为1～3×10-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比为50～60、生...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝吉，吴渊渊，陆书龙，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32