技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] LED被称为第四代照明
光源或绿色光源，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、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。
[0003] 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。
[0004] 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(150lm/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。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)。
[0005] LED芯片的发光效率不够高的另外一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
辐射复合效率降低，最终影响LED的发光效率，并造成LED发光
波长的不稳定。解决这一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。
[0006] 由此可见，要使LED真正实现大规模广泛应用，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。
发明内容
[0007] 为了克服
现有技术的上述缺点与不足，本发明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。本发明的另一目的在于提供上述非极性InGaN/GaN量子阱的制备方法。
[0008] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0009] 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。
[0010] 所述LiGaO2衬底的晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2~0.5°。
[0011] 所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30~60nm；所述非极性m面GaN外延层的厚度为150~250nm；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10~13nm。
[0012] 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：
[0013] （1）采用LiGaO2衬底，选取晶体取向；
[0014] （2）对衬底进行
退火处理：将衬底在900~1000℃下
烘烤3~5h后空冷至室温；
[0015] （3）对衬底进行表面清洁处理；
[0016] （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-5为220~350℃，通入Ga
蒸发源与N
等离子体，反应室压
力为5~7×10 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；
[0017] （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℃，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-5压力为3~5×10 torr，激光
能量为120~180mJ，
频率为10~30Hz；
[0018] （6）采用分子束外延工艺生长非极性InGaN/GaN多量子阱，工艺条件为：衬底温度-5为500~750℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5~7×10 torr，产生等离子体氮的射频功率为200~300W。
[0019] 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、
乙醇洗涤，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850~900℃，烘烤20~30分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0021] （1）本发明使用LiGaO2作为衬底，同时采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长一层非极性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。
[0022] （2）采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长一层非极性m面GaN缓冲层，在低温下能保证LiGaO2衬底的
稳定性，减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。
[0023] （3）采用分子束外延工艺制备出非极性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。
[0024] （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
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
具体实施方式
[0028] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0029] 实施例1
[0030] 本发明生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤：
[0031] （1）选取衬底以及晶体取向：采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.2°。
[0032] （2）对衬底进行退火处理：将衬底在900℃下烘烤3h后空冷至室温。
[0033] （3）对衬底进行表面清洁处理：将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，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850℃，烘烤20分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。
[0034] （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-5为220℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为5×10 torr、产生等离子体氮的射频功率为200W，Ⅴ/Ⅲ比为50、生长速度为0.4ML/s。
[0035] （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℃，采用脉冲激光轰击Ga靶材，同时通入N等离子体，射频功率为200W，反应室压力-5为3×10 torr、激光能量为120mJ，激光频率为10Hz。
[0036] （6）采用分子束外延工艺生长非极性InGaN/GaN多量子阱，周期为5个，厚度为2nm InGaN阱层/10nm GaN垒层，工艺条件为：衬底温度为500℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，-5反应室压力为5×10 torr、射频功率为200W，Ⅴ/Ⅲ比为50、生长速度为0.4ML/s。
[0037] 如图1所示，本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱示意图，包括生长在LiGaO2衬底11上的非极性m面GaN缓冲层12，生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层13以及生长在非极性GaN外延层上的非极性InGaN/GaN多量子阱14。其中，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30nm；所述非极性m面GaN外延层的厚度为150nm；所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2nm；GaN垒层的厚度为10nm。
[0038] 图2为本实施例制备的生长在LiGaO2衬底（100）面上的非极性InGaN/GaN多量子阱的XRD测试图。测试得到InGaN/GaN量子阱卫星峰，其最强峰为GaN，其半峰宽（FWHM）值低于0.1°，左右旁边依次为第一级卫星峰，第二级卫星峰，...,最后计算得到的量子阱层2nm，垒层10nm。表明本发明制备的非极性InGaN/GaN多量子阱无论是在缺陷密度还是在结晶质量，都具有非常好的性能。
[0039] 图3为本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN多量子阱的在温度为室温下PL谱测试图。由图可知，温度为293K下PL谱测试得到发光峰波长为444nm，半峰宽为26.6nm。表明本发明制备的非极性GaN薄膜在光学性质上具有非常好的性能。
[0040] 实施例2
[0041] 本发明生长在LiGaO2衬底上的非极性多量子阱的制备方法，包括以下步骤：
[0042] （1）选取衬底以及晶体取向：采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向0.5°。
[0043] （2）对衬底进行退火处理：将衬底在1000℃下高温烘烤5h后空冷至室温。
[0044] （3）对衬底进行表面清洁处理：将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗10分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，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900℃，烘烤30分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。
[0045] （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-5为350℃，通入Ga蒸发源与N等离子体，反应室压力为7×10 torr、产生等离子体氮的射频功率为300W，Ⅴ/Ⅲ比为60，生长速度为0.6ML/s。
[0046] （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550℃，采用脉冲激光轰击Ga靶材，同时通入N等离子体，射频功率为300W，反应室压力-55×10 torr、激光能量为180mJ，激光频率为30Hz。
[0047] （6）采用分子束外延工艺生长非极性InGaN/GaN多量子阱，周期为10个，厚度为3nm InGaN阱层/13nm GaN垒层，工艺条件为：衬底温度为750℃，通入Ga蒸发源与N等离-5
子体，反应室压力为7×10 torr、射频功率为300W，Ⅴ/Ⅲ比为60、生长速度为0.6ML/s。
[0048] 本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InGaN/GaN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量子阱层其中，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为60nm；所述非极性m面GaN外延层的厚度为250nm；所述非极性InGaN/GaN量子阱层为10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3nm；GaN垒层的厚度为13nm。
[0049] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
