本发明专利技术公开了生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、极性InGaN/GaN量子阱层。本发明专利技术还公开了上述非极性InGaN/GaN多量子阱的制备方法。与现有技术相比，本发明专利技术具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的非极性InGaN/GaN量子阱缺陷密度低、结晶质量好，光学性能好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非极性多量子阱及其制备方法，特别涉及生长在LiGaO2衬底上的非极多量子阱及其制备方法。
技术介绍
LED被称为第四代照明光源或緑色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种普通照明、指示、显示、装饰、背光源、和城市夜景等领域。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、減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作为ー种新型的緑色光源产品，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。III族氮化物半导体材料GaN是制造高效LED器件最为理想的材料。目前，GaN基LED的发光效率现在已经达到28%并且还在进ー步的增长，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，与突光灯相比，GaN基LED不含有毒的萊元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。LED要真正实现大規模广泛应用，需要进ー步提高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)，単位流明/瓦的价格偏高。目前，LED芯片的发光效率不够高，ー个主要原因是由于其蓝宝石衬底造成的。基于蓝宝石衬底的LED技术存在两个严峻的问题。首先，蓝宝石与GaN晶格的失配率高达17%，如此高的晶格失配使得蓝宝石上的LED外延片有很高的缺陷密度，大大影响了 LED芯片的发光效率。其次，蓝宝石衬底价格十分昂贵，使得氮化物LED生产成本很高(蓝宝石衬底在LED的制作成本中占有相当大的比例)。LED芯片的发光效率不够高的另外ー个主要原因是由于目前广泛使用的GaN基LED具有极性。目前制造高效LED器件最为理想的材料是GaN。GaN为密排六方晶体结构，其晶面分为极性面c面[(0001)面]和非极性面a面[(11-20)面]及m面[(1-100)面]。目前，GaN基LED大都基于GaN的极性面构建而成。在极性面GaN上，Ga原子集合和N原子集合的质心不重合，从而形成电偶极子，产生自发极化场和压电极化场，进而引起量子束缚斯塔克效应(Quantum-confined Starker Effect, QCSE),使电子和空穴分离,载流子的福射复合效率降低，最終影响LED的发光效率，并造成LED发光波长的不稳定。解决这ー问题最好的办法是采用非极性面的GaN材料制作LED，以消除量子束缚斯塔克效应的影响。理论研究表明，使用非极性面GaN来制造LED，将可使LED发光效率提高近一倍。由此可见，要使LED真正实现大規模广泛应用，提高LED芯片的发光效率，并降低其制造成本，最根本的办法就是研发新型衬底上的非极性GaN基LED外延芯片。而非极性InGaN/GaN量子阱的制作是实现非极性GaN基LED的前提条件，因此新型衬底上外延生长非极性InGaN/GaN量子阱一直是研究的热点和难点。
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LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN量子阱，具有缺陷密度低、结晶质量好，发光性能优良的优点。本专利技术的另ー目的在于提供上述非极性InGaN/GaN量子阱的制备方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现 生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、非极性InGaN/GaN量子阱层。所述LiGaO2衬底的晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0. 2 0. 5。。所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为3(T60nm ;所述非极性m面GaN外延层的厚度为15(T250nm ;所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5 10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2 3nm ;GaN垒层的厚度为l(Tl3nm。生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤(I)采用LiGaO2衬底，选取晶体取向；(2)对衬底进行退火处理将衬底在90(Tl000°C下烘烤3 5h后空冷至室温；(3)对衬底进行表面清洁处理；(4)采用低温分子束外延エ艺生长非极性m面GaN缓冲层，エ艺条件为衬底温度为22(T350°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压カ为5 7 X IO^torr,产生等离子体氮的射频功率为200-300W，V / III比为50 60、生长速度为0. 4 0. 6ML/s ；(5)采用脉冲激光沉积エ艺生长非极性m面GaN外延层，エ艺条件为衬底温度升至450-550°C，采用脉冲激光轰击Ga靶材，通入N等离子体，射频功率为200-300W，反应室压カ为3 5Xl(T5torr，激光能量为12(Tl80mJ，频率为l(T30Hz ；(6)采用分子束外延エ艺生长非极性InGaN/GaN多量子阱，エ艺条件为衬底温度为50(T750°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压カ为5 7 X IO^torr,产生等离子体氮的射频功率为20(T300W。步骤(3)所述对衬底进行表面清洁处理，具体为将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5 10分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、こ醇洗涤,去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至85(T90(TC，烘烤2(T30分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果(I)本专利技术使用LiGaO2作为衬底，同时采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长ー层非极性m面GaN缓冲层，获得衬底与非极性m面GaN外延层之间很低的晶格失配度，有利于沉积低缺陷的非极性GaN薄膜，极大的提高了量子阱的发光效率。(2)采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长ー层非极性m面GaN缓冲层，在低温下能保证LiGaO2衬底的稳定性，減少锂离子的挥发造成的晶格失配和剧烈界面反应，从而为下一步生长非极性m面GaN外延层打下良好基础。(3)采用分子束外延エ艺制备出非极性InGaN/GaN多量子阱薄膜，消除了极性面GaN带来的量子束缚斯塔克效应，提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率。(4)使用LiGaO2作为衬底，容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。附图说明图1为实施例1制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的截面示意图。图2为实施例1制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的XRD测试图。图3为实施例1制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的PL谱测试图。具体实施例本文档来自技高网...
【技术保护点】
生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，其特征在于，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、非极性InGaN/GaN量子阱层。
【技术特征摘要】
1.生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，其特征在于，包括由下至上依次排列的LiGaO2衬底、非极性m面GaN缓冲层、非极性m面GaN外延层、非极性InGaN/GaN量子阱层。2.根据权利要求1所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，其特征在于，所述LiGaO2衬底的晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2^).5°。3.根据权利要求1所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱，其特征在于，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为3(T60nm ;所述非极性m面GaN外延层的厚度为15(T250nm ；所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5 10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2 3nm ;GaN垒层的厚度为l(Tl3nm。4.生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)采用LiGaO2衬底，选取晶体取向； (2)对衬底进行退火处理将衬底在90(Tl(KKrC下烘烤3 5h后空冷至室温； (3)对衬底进行表面清洁处理； (4)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为衬底温度为22(T350°C，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5 7 X IO^torr,产生等离子体氮的射频功率为200-300W，V / III比为50 60、生长速度为0. 4 0. 6ML/s ； (5)采用脉冲激光沉积工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为衬底温度升至450-550 0C，采用脉冲激光轰击Ga靶材...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，杨慧，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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