生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED及其制备方法技术

本发明专利技术属于纳米阵列LED生长与制备的技术领域，公开了生长在镓酸锂衬底上的纳米柱LED及其制备方法。所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED包括LiGaO2衬底，生长在LiGaO2衬底上的GaN纳米柱阵列，生长在GaN纳米柱阵列上的非掺杂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纳米柱阵列为非极性GaN纳米柱阵列。本发明专利技术所选择的镓酸锂衬底材料成本低廉，所制备的纳米柱阵列尺寸可控，取向均一，所获得的非极性纳米柱LED的缺陷密度低、电学和光学性能优良。

【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，特别涉及生长在镓酸锂(LiGaO2)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，已经被广泛的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基纳米柱LED大多基于其极性面构建而成，极性面存在的量子束缚斯塔克效应(QCSE)会造成LED能带弯曲、倾斜、从而引起电子与空穴的分离，严重降低载流子的辐射复合效率，并造成LED发光波长不稳定。采用非极性面外延GaN基LED，能够抑制能带弯曲和倾斜所引起的波长偏移，克服QCSE效应造成的电子与空穴分离，理论上提高近一倍的LED发光效率。同时，非极性InGaN/GaN量子阱结构被证明具有一种特殊的偏振特性，应用在屏幕显示器件中，能够去除偏振滤波片，从而降低偏振滤波片引起的损耗，同时提升屏幕的光线均匀性，达到节能、改善色调的作用。非极性面GaN相比于极性面GaN，在生长过程中更容易形成缺陷。因此，非极性面GaN外延衬底的选择显得尤为重要，目前商业化的LED主要是在蓝宝石衬底上外延生长的，然而蓝宝石与GaN的晶格失配高，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。LiGaO2衬底与非极性GaN在b、c轴方向上的晶格失配分别为0.1％和4.0％，热膨胀系数很接近(LiGaO2衬底的热膨胀系数分别为4.0×10-6K-1和3.8×10-6K-1，GaN对应的热膨胀系数分别为5.59×10-6K-1和3.17×10-6K-1)，是外延非极性面GaN最佳衬底之一。但LiGaO2衬底高温下化学性质不稳定，要使LiGaO2衬底上GaN基纳米柱LED能够真正实现大规模应用，因此需要寻找LiGaO2衬底上生长GaN基纳米柱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镓酸锂衬底上的纳米柱LED及制备方法，所选择的镓酸锂衬底材料成本低廉，所制备的纳米柱阵列尺寸可控，取向均一，所获得的非极性纳米柱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：生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，包括LiGaO2衬底，生长在LiGaO2衬底上的GaN纳米柱阵列，生长在GaN纳米柱阵列上的非掺杂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纳米柱阵列为非极性GaN纳米柱阵列。所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED还包括隔离层，所述隔离层沉积在GaN纳米柱阵列的侧壁和未被纳米柱阵列覆盖的LiGaO2衬底上。所述隔离层为SiNx、SiO2或者Al2O3隔离层。SiNx，x为1～2。所述LiGaO2衬底以(100)面偏(110)方向0.2～1°为外延面。所述GaN纳米柱阵列是由生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN缓冲层制备而成的。所述非极性GaN缓冲层是非极性面GaN，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)面。即GaN纳米柱阵列是非极性面GaN，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)面。所述非极性GaN缓冲层是采用PLD技术来实现低温下在LiGaO2衬底上外延生长，能够有效缓解高温生长引起LiGaO2衬底中的Li原子逸出、并与非极性GaN缓冲层之间发生严重界面反应的问题。所述GaN纳米柱阵列是通过采用TracePro软件优化纳米柱排布，利用纳米压印技术和刻蚀在非极性GaN缓冲层上制备而成，所获得的纳米柱阵列尺寸均匀。将生长在LiGaO2衬底上的GaN纳米柱阵列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GaN纳米柱阵列的高度为500～1000nm，间距为150～250nm，直径为100～200nm。所述非掺杂GaN层的厚度为200～300nm；所述n型掺杂GaN层的掺杂浓度为3×1018～9×1018cm-3，厚度为2～4μm。所述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。所述p型掺杂GaN层，掺杂浓度为3×1017～9×1017cm-3，厚度为300～350nm。所述隔离层的厚度为10～50nm；所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底及其晶向的选取：采用LiGaO2衬底，以(100)面偏(110)方向0.2～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)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LiGaO2衬底进行退火处理3～4小时然后空冷至室温；(3)非极性GaN缓冲层外延生长：采用PLD技术，衬底温度为150～250℃，氮的等离子体流量为3～4.5sccm，RF活化功率为400～450W的条件下生长非极性GaN缓冲层，缓冲层厚度为500～1000nm；，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)面；所述采用PLD技术中衬底转速为10r/min，靶基距为5cm，激光波长为248nm，激光能量为250mJ/p，频率20Hz；Ga源为GaN靶材，其纯度为99.99％；(4)GaN纳米柱阵列的制备：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LiGaO2衬底上非极性GaN缓冲层进行向下刻蚀，得到GaN纳米柱阵列，其高度为500～1000nm，直径为100～200nm，间距为150～250nm；所述GaN纳米柱阵列的高度与非极性GaN缓冲层的高度相同；(5)隔离层的沉积：利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射技术在GaN纳米柱阵列中纳米柱的侧壁以及未被纳米柱阵列覆盖的衬底上沉积隔离层，所述隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，厚度为10～50nm；(6)非掺杂GaN层的外延生长：在MOCVD中，反应室温度为1000～1300℃，反应室的压力为150～200Torr，在GaN纳米柱阵列上生长非掺杂GaN层，厚度为200～300nm；(7)n型掺杂GaN层的外延生长：将反应室温度升至1000～1500℃，在反应室压力为150～200Torr条件下，在步骤(6)得到的非掺杂GaN层上生长n型掺杂GaN层，掺杂浓度为3×1018～9×1018cm-3，厚度为2～4μm；(8)InGaN/本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：包括LiGaO2衬底，生长在LiGaO2衬底上的GaN纳米柱阵列，生长在GaN纳米柱阵列上的非掺杂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纳米柱阵列为非极性GaN纳米柱阵列。

【技术特征摘要】
1.生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：包括LiGaO2衬底，生长在LiGaO2衬底上的GaN纳米柱阵列，生长在GaN纳米柱阵列上的非掺杂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纳米柱阵列为非极性GaN纳米柱阵列。2.根据权利要求1所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：所述LiGaO2衬底以(100)面偏(110)方向0.2～1°为外延面。3.根据权利要求1所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：所述GaN纳米柱阵列是由生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN缓冲层制备而成的；所述非极性GaN缓冲层是非极性面GaN，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)面；GaN纳米柱阵列是非极性面GaN，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)面。4.根据权利要求1所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：所述GaN纳米柱阵列的高度为500～1000nm，间距为150～250nm，直径为100～200nm。5.根据权利要求1所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：所述非掺杂GaN层的厚度为200～300nm；所述n型掺杂GaN层的厚度为2～4μm；所述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；所述p型掺杂GaN层的厚度为300～350nm。6.根据权利要求1所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：所述n型掺杂GaN层的掺杂浓度为3×1018～9×1018cm-3；所述p型掺杂GaN层的掺杂浓度为3×1017～9×1017cm-3。7.根据权利要求1所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED还包括隔离层，所述隔离层沉积在GaN纳米柱阵列的侧壁和未被纳米柱阵列覆盖的LiGaO2衬底上。8.根据权利要求7所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED，其特征在于：所述隔离层的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3；所述隔离层的厚度为10～50nm。9.根据权利要求1～8任一项所述生长在镓酸锂衬底上的非极性纳米柱LED的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)衬底及其晶向的选取：采用LiGaO2衬底，以(100)面偏(110)方向0.2～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO2的(100)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LiGaO2衬底进行退火处理3～4小时然后空冷至室温；(3)非极性GaN缓冲层外延生长：采用PLD技术，衬底温度为150～250℃，氮的等离子体流量为3～4.5sccm，RF活化功率为400～450W的条件下生长非...

【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