生長在Cu襯底的LED外延片及其製備方法和應用的製作方法

2023-05-24 08:55:26 1

生長在Cu襯底的LED外延片及其製備方法和應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種生長在Cu襯底的LED外延片，包括Cu襯底、AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜，所述AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜依次生長在Cu襯底上。本發明在金屬Cu新型襯底上採用低溫生長工藝外延生長GaN薄膜，獲得了高質量LED外延片；採用的金屬Cu襯底，生長工藝簡單、價格便宜，可大幅度降低器件的製造成本；通過選擇合適的晶體取向，Cu(111)襯底上獲得的高質量GaN外延薄膜，可大幅度提高氮化物器件如光電探測器的效率。
【專利說明】生長在Cu襯底的LED外延片及其製備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種LED外延片，特別是涉及一種生長在Cu襯底的LED外延片及其製備方法和應用。
【背景技術】
[0002]發光二極體(LED)作為一種新型固體照明光源和綠色光源，具有體積小、耗電量低、環保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點，在室外照明、商業照明以及裝飾工程等領域都具有廣泛的應用。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題。以低能耗、低汙染、低排放為基礎的低碳經濟，將成為經濟發展的重要方向。在照明領域，LED發光產品的應用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢，二十一世紀將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是現階段LED的應用成本較高，發光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節能環保的方向發展。
[0003]III族氮化物GaN在電學、光學以及聲學上具有極其優異的性質，近幾年受到廣泛關注。GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學和熱穩定性好，熱導率高，熱膨脹係數低，擊穿介電強度高，是製造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發光效率現在已經達到28 %並且還在進一步的增長，該數值遠遠高於目前通常使用的白熾燈(約為2 % )或螢光燈(約為10% )等照明方式的發光效率。數據統計表明，我國目前的照明用電每年在4100億度以上，超過英國全國一年的用電量。如果用LED取代全部白熾燈或部分取代螢光燈，可節省接近一半的照明用電，超過三峽工程全年的發電量。因照明而產生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與螢光燈相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用壽命約為此類照明工具的100倍。
[0004]LED要真正實現大規模廣泛應用，需要進一步提高LED晶片的發光效率。雖然LED的發光效率已經超過日光燈和白熾燈，但是商業化LED發光效率還是低於鈉燈(1501m/W)，單位流明/瓦的價格偏高。目前，LED晶片的發光效率不夠高，一個主要原因是由於其藍寶石襯底造成的。由於藍寶石與GaN的晶格失配高達17%,導致外延GaN薄膜過程中形成很高的位錯密度，從而降低了材料的載流子遷移率，縮短了載流子壽命，進而影響了 GaN基器件的性能。其次，由於室溫下藍寶石熱膨脹係數(6.63Χ10_7Κ)較GaN的熱膨脹係數(5.6XlO-6A)大，兩者間的熱失配度約為_18.4%，當外延層生長結束後，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產生很大的壓應力，容易導致薄膜和襯底的龜裂。再次，由於藍寶石的熱導率低(100°C時為0.25W/cmK)，很難將晶片內產生的熱量及時排出，導致熱量積累，使器件的內量子效率降低，最終影響器件的性能。此外，由於藍寶石是絕緣體，不能製作垂直結構半導體器件。因此電流在器件中存在橫向流動，導致電流分布不均勻，產生較多熱量，很大程度上影響了 GaN基LED器件的電學和光學性質。
[0005]因此迫切尋找一種熱導率高可以快速地將LED節區的熱量傳遞出來的材料作為襯底。而金屬Cu作為外延氮化物的襯底材料，具有四大其獨特的優勢。第一，金屬Cu有很高的熱導率，Cu的熱導率為4.19W/cmK，可以將LED晶片內產生的熱量及時的傳導出，以降低器件的節區溫度，一方面提高器件的內量子效率，另一方面有助於解決器件散熱問題。第二，金屬Cu可以作為生長GaN基垂直結構的LED器件的襯底材料，可直接在襯底上鍍陰極材料，P-GaN上鍍陽極材料，使得電流幾乎全部垂直流過GaN-基的外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產生的熱量減小，對器件的散熱有利；另外，可以將陰極材料直接鍍在金屬襯底上，不需要通過腐蝕P-GaN層和有源層將電極連在N-GaN層，這樣充分利用了有源層的材料。第三，金屬Cu襯底材料相對其他襯底，價格更便宜，可以極大地降低器件的製造成本，。第四，光滑的金屬Cu表面可以反射經過襯底表面的光，從而提高LED的出光效率。正因為上述諸多優勢，金屬襯底現已被嘗試用作III族氮化物外延生長的襯底材料。
[0006]但是金屬Cu襯底在化學性質不穩定，當外延溫度高於620°C的時候，外延氮化物會與金屬襯底之間發生界面反應，嚴重影響了外延薄膜生長的質量。III族氮化物外延生長的先驅研究者、著名科學家Akasaki等人就曾嘗試應用傳統的MOCVD或者MBE技術直接在化學性質多變的襯底材料上外延生長氮化物，結果發現薄膜在高溫下外延相當困難。如何在Cu襯底生長高質量的LED外延片仍是一個技術問題。

【發明內容】

[0007]為了克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種生長在Cu襯底的LED外延片及其製備方法和應用，本發明在金屬Cu新型襯底上採用低溫生長工藝外延生長GaN薄膜，獲得了高質量LED外延片；採用的金屬Cu襯底，生長工藝簡單、價格便宜，可大幅度降低器件的製造成本；通過選擇合適的晶體取向，Cu(Ill)襯底上獲得的高質量GaN外延薄膜，可大幅度提高氮化物器件如光電探測器的效率。
[0008]為解決上述問題，本發明所採用的技術方案如下:
[0009]生長在Cu襯底的LED外延片，包括Cu襯底、AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜，所述AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜依次生長在Cu襯底上。
[0010]優選的，所述Cu襯底以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關係為Α1Ν[11-20]//Cu[l-10]。
[0011]優選的，所述AlN緩衝層厚度為IOOnm ;所述U-GaN薄膜層厚度為200_350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3-5nm, GaN壘層厚度為10_15nm，周期數為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300_400nm。
[0012]生長在Cu襯底的LED外延片的製備方法，其特徵在於，包括:
[0013]I)襯底以及其晶向的選取:採用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關係為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0014]2)襯底表面處理:對Cu襯底表面進行拋光、清洗以及退火處理；
[0015]3)在步驟2)處理後的Cu襯底上依次進行AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
[0016]優選的，所述步驟2)中拋光處理是將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光至沒有劃痕後，再採用化學機械拋光的方法進行拋光處理；所述清洗處理是將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3-5min後，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，最後用高純乾燥氮氣吹乾；所述退火處理是將Cu襯底放入壓強為2X 10_lclTorr的UHV-PLD的生長室內，在550_650°C空氣中高溫處理l_2h，然後冷卻至室溫。
[0017]優選的，所述AlN緩衝層的外延生長工藝為:襯底溫度400-600°C，反應室壓力為8-10 X KT3Torr, V / III比為 50-60，生長速度為 0.4-0.6ML/s ；
[0018]所述U-GaN薄膜層的外延生長工藝為:採用PLD技術，襯底溫度600-800°C，反應室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 50-60，生長速度 0.6-0.8ML/s ；
[0019]所述N-GaN薄膜層的外延生長工藝為:採用PLD技術，襯底溫度400-500°C，反應室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 30-40，生長速度 0.7-0.8ML/s ；
[0020]所述InGaN/GaN多量子阱層的外延生長工藝為:採用MBE技術，反應室壓力1-5 X KT5Torr, V / III值 30-35、生長速度 0.5-0.6ML/s ；
[0021]所述P-GaN薄膜的外延生長工藝為:襯底溫度450-500 °C，反應室壓力
3.5-4X KT3Torr、V / III值 35-40、生長速度 0.6-0.8ML/s。
[0022]優選的，所述AlN緩衝層厚度為IOOnm ;所述U-GaN薄膜層厚度為200_350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3-5nm, GaN壘層厚度為10_15nm，周期數為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300_400nm。
[0023]生長在Cu襯底的LED外延片在光電探測器中的應用。
[0024]相比現有技術，本發明的有益效果在於:
[0025]1、本發明使用了金屬Cu作為襯底，用過生長AlN緩衝層可以獲得襯底與GaN外延層之間很低的晶格失配度，有利於沉積高質量低缺陷的GaN薄膜，極大的提高了 LED的發光效率；
[0026]2、本發明使用了 Cu作為襯底，Cu襯底容易獲得，價格便宜，有利於降低生產成本；
[0027]3、本發明採用MBE和PLD結合的方法，生長出低溫高質量的GaN基薄膜，製備出高質量的大功率LED外延片；應用MBE生長有源層，其他層的外延則採用低溫的PLD技術，這樣在較低的溫度下就可以完成薄膜的生長，避免了高溫界面反應，為製備高質量低缺陷的薄膜提供了保障；
[0028]4、本發明製備出了高質量的LED外延片，可以作為生長GaN基垂直結構的LED器件的襯底材料，使得電流幾乎全部垂直流過GaN-基的外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產生的熱量減小，對器件的散熱有利提高了載流子的輻射複合效率，可大幅度提高氮化物器件如光電探測器的效率；
[0029]5、本發明製備採用熱導率較高的金屬Cu作為襯底，能夠迅速地將器件內的熱量傳導出來，一方面提高器件的內量子效率，另一方面助於解決器件散熱問題，有利於提高LED器件的壽命；
[0030]6、本發明採用了低溫外延技術在Cu襯底上先生長一層IOOnm的低溫AlN緩衝層；在低溫下能保證Cu襯底的穩定性，減少Cu離子的揮發造成的晶格失配和劇烈界面反應，從而為下一步的高質量外延層打下良好基礎；
[0031]綜上所述，本發明技術生長襯底非常規，生長工藝獨特而簡單易行，具有可重複性、外延生長的GaN基LED外延片缺陷密度低、晶體質量高，電學和光學性質優異等優點，可廣泛應用於LED器件、半導體光電探測器、太陽能電池器件等領域，便於推廣應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明中生長在Cu襯底的LED外延片結構示意圖；
[0033]圖2是本發明中實施例1製備的LED外延片的HRXRD圖譜；
[0034]圖3是本發明中實施例1製備的LED外延片的光致發光圖譜；
[0035]圖4是本發明中實施例1製備的LED外延片的電致發光圖譜；
[0036]圖5是本發明中實施例2製備的LED外延片的HRXRD圖譜；
[0037]圖6是本發明中實施例2製備的LED外延片的光致發光圖譜；
[0038]圖7是本發明中實施例2製備的LED外延片的電致發光圖譜；
[0039]其中，I為Cu襯底、2為AlN緩衝層、3為U-GaN薄膜層、4為N-GaN薄膜層、5為InGaN/GaN多量子阱層6為P-GaN薄膜。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0041]如圖1所示，為本發明中生長在Cu襯底的LED外延片，包括Cu襯底1、A1N緩衝層2、U-GaN薄膜層3、N-GaN薄膜層4、InGaN/GaN多量子阱層5和P-GaN薄膜6，所述AlN緩衝層2、U-GaN薄膜層3、N-GaN薄膜層4、InGaN/GaN多量子阱層5和P-GaN薄膜6依次生長在Cu襯底I上。
[0042]優選方案中，所述Cu襯底I以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關係為AlN[11-20] //Cu [1-10];所述AlN緩衝層厚度為IOOnm ；所述U-GaN薄膜層厚度為200-350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3-5nm，GaN壘層厚度為10_15nm，周期數為5-10 ;所述Ρ-GaN薄膜厚度為300_400nmo
[0043]實施例1
[0044]生長在Cu襯底的LED外延片的製備方法，包括以下步驟:
[0045]I)襯底以及其晶向的選取:採用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關係為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0046]2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到沒有劃痕後，再米用化學機械拋光的方法進行拋光處理；其次,將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5min，去除Cu襯底表面粘汙顆粒，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純乾燥氮氣吹乾；最後，將Cu襯底放入壓強為2 X IO^10Torr的UHV-PLD的生長室內，在550°C空氣中高溫處理Ih，然後冷卻至室溫。
[0047]3)在步驟2)處理後的Cu襯底上依次進行AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
[0048]AlN緩衝層的外延生長:將Cu(Ill)襯底10溫度降至550°C，反應室壓力為IOXlO^Torr, V / III比為50，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248_3 = 20118)?0)燒蝕4故靶材(99.99% )，在沉積AlN緩衝層時，生長室內壓力N2 (99.9999% )保持在10 X KT3Torr，生長速度0.6ML/s條件下生長IOOnm的低溫AlN緩衝層；
[0049]U-GaN薄膜層採用PLD外延生長，將襯底溫度升至700 °C，在反應室壓力4X10_3Torr、V /III值40、生長速度0.8ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發生器被用來作為氮源在AlN緩衝層上反應生成厚度為200nm的U-GaN薄膜層。
[0050]N-GaN薄膜層採用PLD外延生長，其外延層的厚度為5000nm，其載流子的濃度為IXlO1W0生長條件是溫度降至500°C，在反應室壓力4X l(T3Torr、V /III值40、生長速度
0.8ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248nm,t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發生器被用來作為氮源在N-GaN薄膜層上反應生成N-GaN薄膜層。
[0051]InGaN/GaN多量子阱層採用MBE外延生長，溫度升至750 °C，在反應室壓力4X10_5Torr、V /III值40、生長速度0.6ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發生器被用來作為氮源反應生成InGaN/GaN多量子阱層，其中InGaN阱層為3nm,魚層為13nm,生長7個周期數,厚度為112nm.[0052]P-GaN薄膜採用PLD外延生長，溫度降至500°C，在反應室壓力4X 10_lclTorr、
V/III值40、生長速度0.8ML/S條件下，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發生器被用來作為氮源在InGaN/GaN多量子阱層上反應生成P-GaN薄膜，厚度為350nm，其載流子濃度為2X 1016cm_3，最後電子束蒸發形成歐姆接觸，即製得生長在Cu襯底的LED外延片。
[0053]圖2是本實施例製備的LED外延片的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低於0.06度，顯示出很高的結晶性能。
[0054]圖3是本實施例製備的LED外延片的光致發光圖譜，從光致發光中可以看到，光致發光波長在442nm，FffHM是22.5nm,顯示出良好的光電性能。
[0055]圖4是本實施例製備的LED外延片的電致發光圖譜，從圖中看出發光波長是432nm, FffHM是22nm，顯示出了本發明LED器件的優異的電學性能。
[0056]將本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用於製備半導體光電探測器:在本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、N型摻矽GaN、P型摻鎂的GaN，最後電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結。其中N型摻矽GaN厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X IO19CnT3 ;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為
2.2 X IO1W3丨型摻鎂的GaN度約為1.5μπι。本實施例所製備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66ρΑ，並且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應度的最大值達到了 0.91A/W。
[0057] 將本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用於製備太陽能電池器件:在本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、InxGa1^xN緩衝層、N型摻矽InxGai_xN、P型摻鎂的InxGa1J,最後電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結。其中生長具有成分梯度的InxGahN緩衝層X的值可以在0-0.2之間可調，然後生長N型摻矽InxGa1A外延層的厚度約為5 μ m,其載流子的濃度為I X IO1W30接著生長InxGapxN多量子講層，厚度約為300nm，周期數為20，其中Ina2Gaa8N講層為3nm，Inatl8Gaa92N壘層為10nm。再生長Mg摻雜的P型InxGa^xN層，厚度約為200nm，其載流子濃度為2 X IO16cnT3,最後電子束蒸發形成歐姆接觸。在此基礎上通過在N2氣氛下退火，提高了 P型InGaN薄膜的載流子濃度和遷移率；即製備得InGaN太陽能電池器件。
[0058]檢測結果顯示，無論是性質還是在應用上，均優於目前已經報導的應用藍寶石襯底獲得的LED的相關結果，具有良好的應用前景。
[0059]實施例2
[0060]生長在Cu襯底的LED外延片的製備方法，包括以下步驟:
[0061]I)襯底以及其晶向的選取:採用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關係為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]；
[0062]2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到沒有劃痕後，再米用化學機械拋光的方法進行拋光處理；其次,將Cu襯底放入去離子 水中室溫下超聲清洗4min，去除Cu襯底表面粘汙顆粒，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純乾燥氮氣吹乾；最後，將Cu襯底放入壓強為2X IO^10Torr的UHV-PLD的生長室內，在650°C空氣中高溫處理2h，然後冷卻至室溫。
[0063]3)在步驟2)處理後的Cu襯底上依次進行AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
[0064]AlN緩衝層的外延生長:將Cu(Ill)襯底10溫度降至550°C，反應室壓力為IOXlO^Torr, V / III比為60，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248_3 = 20118)?0)燒蝕4故靶材(99.99% )，在沉積AlN緩衝層時，生長室內壓力N2 (99.9999% )保持在10 X KT3Torr，生長速度0.6ML/s條件下生長IOOnm的低溫AlN緩衝層；
[0065]U-GaN薄膜層採用PLD外延生長，將襯底溫度升至700 °C，在反應室壓力
3.5 X IO^3Torr, V / III值40、生長速度0.75ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發生器被用來作為氮源在AlN緩衝層上反應生成厚度為300nm的U-GaN薄膜層。
[0066]N-GaN薄膜層採用PLD外延生長，其外延層的厚度為4500nm，其載流子的濃度為IXlO1W0生長條件是溫度降至500°C，在反應室壓力4X IO-4Torr、V /III值40、生長速度
0.8ML/s條件下，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248nm,t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發生器被用來作為氮源在N-GaN薄膜層上反應生成N-GaN薄膜層。
[0067]InGaN/GaN多量子阱層採用MBE外延生長，溫度升至750 °C，在反應室壓力I X 10_5Torr、V / III值40、生長速度0.6ML/s條件下，生長InGaN/GaN多量子阱層，其中InGaN講層為3nm,魚層為13nm,生長7個周期數,厚度為112nm.[0068]P-GaN薄膜採用PLD外延生長，溫度降至500°C，在反應室壓力3.5X 10_5Torr、
V/III值40、生長速度0.7ML/S條件下，用能量為3.0J/cm2以及重複頻率為20Hz的KrF準分子雷射(λ = 248nm, t = 20ns) PLD燒蝕用靶材Ga (99.9999% )和射頻等離子體自由基發生器被用來作為氮源在InGaN/GaN多量子阱層上反應生成P-GaN薄膜，厚度為400nm，其載流子濃度為2X 1016cm_3，最後電子束蒸發形成歐姆接觸，即製得生長在Cu襯底的LED外延片。
[0069] 圖5是本實施例製備的LED外延片的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低於0.06度，顯示出很高的結晶性能。
[0070]圖6是本實施例製備的LED外延片的光致發光圖譜，從光致發光中可以看到，光致發光波長在442nm，FffHM是22.5nm,顯示出良好的光電性能。
[0071]圖7是本實施例製備的LED外延片的電致發光圖譜，從圖中看出發光波長是432nm, FffHM是22nm，顯示出了本發明LED器件的優異的電學性能。
[0072]將本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用於製備半導體光電探測器:在本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、N型摻矽GaN、P型摻鎂的GaN，最後電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結。其中P型摻矽GaN厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X IO19CnT3 ;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為
2.2 X IO1W3丨型摻鎂的GaN度約為1.5μπι。本實施例所製備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66ρΑ，並且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應度的最大值達到了 0.91A/W。
[0073]將本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的LED外延片用於製備太陽能電池器件:在本實施例製備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、InxGa1^xN緩衝層、N型摻矽InxGai_xN、P型摻鎂的InxGa1J,最後電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結。其中生長具有成分梯度的InxGahN緩衝層X的值可以在0-0.2之間可調，然後生長N型摻矽InxGa1A外延層的厚度約為5 μ m,其載流子的濃度為I X IO1W30接著生長InxGapxN多量子講層，厚度約為300nm，周期數為20，其中Ina2Gaa8N講層為3nm，Inatl8Gaa92N壘層為10nm。再生長Mg摻雜的P型InxGa^xN層，厚度約為200nm，其載流子濃度為2 X IO16cnT3,最後電子束蒸發形成歐姆接觸。在此基礎上通過在N2氣氛下退火，提高了 P型InGaN薄膜的載流子濃度和遷移率；即製備得InGaN太陽能電池器件。
[0074]檢測結果顯示，無論是性質還是在應用上，均優於目前已經報導的應用藍寶石襯底獲得的LED外延片的相關結果，具有良好的應用前景。
[0075]對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。
【權利要求】
1.生長在Cu襯底的LED外延片，其特徵在於，包括Cu襯底、AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜，所述AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜依次生長在Cu襯底上。
2.如權利要求1所述的生長在Cu襯底的LED外延片，其特徵在於，所述Cu襯底以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關係為AlN[ll-20]//Cu[l-10]。
3.如權利要求1所述的生長在Cu襯底的LED外延片，其特徵在於，所述AlN緩衝層厚度為IOOnm ;所述U-GaN薄膜層厚度為200_350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ；所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3_5nm，GaN壘層厚度為10_15nm，周期數為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300_400nm。
4.權利要求1所述生長在Cu襯底的LED外延片的製備方法，其特徵在於，包括: 1)襯底以及其晶向的選取:米用Cu襯底，以(111)面為外延面，晶體外延取向關係為:AlN[ll-20]//Cu[l-10]； 2)襯底表面處理:對Cu襯底表面進行拋光、清洗以及退火處理； 3)在步驟2)處理後的Cu襯底上依次進行AlN緩衝層、U-GaN薄膜層、N-GaN薄膜層、InGaN/GaN多量子阱層和P-GaN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的LED外延片。
5.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)中拋光處理是將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光至沒有劃痕後，再採用化學機械拋光的方法進行拋光處理；所述清洗處理是將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3-5min後，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，最後用高純乾燥氮氣吹乾；所述退火處理是將Cu襯底放入壓強為2X 10_1(lTorr的UHV-PLD的生長室內，在550-650°C空氣中高溫處理l_2h，然後冷卻至室溫。
6.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於: 所述AlN緩衝層的外延生長工藝為:襯底溫度400-600 °C，反應室壓力為8-10 X IO^3Torr, V /III比為 50-60，生長速度為 0.4-0.6ML/s ； 所述U-GaN薄膜層的外延生長工藝為:採用PLD技術，襯底溫度600-800°C，反應室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 50-60，生長速度 0.6-0.8ML/s ； 所述N-GaN薄膜層的外延生長工藝為:採用PLD技術，襯底溫度400-500°C，反應室壓力 3-4 X KT3Torr，V / III值 30-40，生長速度 0.7-0.8ML/s ； 所述InGaN/GaN多量子阱層的外延生長工藝為:採用MBE技術，反應室壓力1-5 X KT5Torr, V / III值 30-35、生長速度 0.5-0.6ML/s ； 所述P-GaN薄膜的外延生長工藝為:襯底溫度450-500 °C，反應室壓力3.5-4X KT3Torr、V / III值 35-40、生長速度 0.6-0.8ML/s。
7.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述AlN緩衝層厚度為IOOnm;所述U-GaN薄膜層厚度為200-350nm ;所述N-GaN薄膜層厚度為4000-5000nm ;所述InGaN/GaN多量子阱層中，InGaN阱層厚度為3_5nm，GaN壘層厚度為10_15nm，周期數為5-10 ;所述P-GaN薄膜厚度為300-400nm。
8.權利要求1-7任一項所述生長在Cu襯底的LED外延片在LED器件、半導體光電探測器、太陽能電池器件中的應用。
【文檔編號】H01L33/00GK103996758SQ201410240589
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司