本發(fā)明涉及一種包含InGaN/GaN多量子阱的外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別涉及一種基于Os襯底上的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法。

背景技術(shù)：

能源一直是人類面臨的一個重大難題，已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。從方便性、可靠性以及能源的干凈性，太陽能是最為理想的能源之一。并且能從太陽直接獲取的能量是非常可觀的，估計地球每年可從太陽獲取的總能量為4×10²⁴焦耳多結(jié)光伏電池作為提升太陽能光電轉(zhuǎn)換效率的重要方案之一，取得了一些階段性成果。另外，發(fā)光二極管(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(huán)保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點(diǎn)，在室外照明、商業(yè)照明以及裝飾工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在全球氣候變暖問題日趨嚴(yán)峻的背景下，節(jié)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、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)，將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向。

III-族氮化物具有直接帶隙的特點(diǎn)，正好能滿足多結(jié)、寬帶隙光伏材料的要求。不僅能與Si、GaAs等其他常規(guī)電池級聯(lián)，滿足頂電池應(yīng)用的要求，增加多結(jié)太陽能電池在短波波段的光伏響應(yīng)；也可以在自身的材料體系內(nèi)制備多結(jié)高效太陽能電池，有望獲得更高的太陽能轉(zhuǎn)換效率。而且，GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低，擊穿介電強(qiáng)度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發(fā)光效率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到28％并且還在進(jìn)一步的增長，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前通常使用的白熾燈(約為2％)或熒光燈(約為10％)等照明方式的發(fā)光效率。所以研究InGaN/GaN等材料對于太陽能電池和LED器件提升電池效率、降低成本以及帶動我國氮化物光電器件的發(fā)展和緩解能源危機(jī)都具有積極的意義。

目前，太陽能電池和LED芯片的效率不夠高，一個主要原因是由于其藍(lán)寶石襯底造成的。由于藍(lán)寶石與GaN的晶格失配高達(dá)17％，導(dǎo)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(jìn)而影響了GaN基器件的性能。其次，由于室溫下藍(lán)寶石熱膨脹系數(shù)(6.63×10^-6/K)較GaN的熱膨脹系數(shù)(5.6×10^-6/K)大，兩者間的熱失配度約為18.4％，當(dāng)外延層生長結(jié)束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，容易導(dǎo)致薄膜和襯底的龜裂。再次，由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率低(100℃時為0.25W/cmK)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時排出，導(dǎo)致熱量積累，使器件的內(nèi)量子效率降低，最終影響器件的性能。此外，由于藍(lán)寶石是絕緣體，不能制作垂直結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件。因此電流在器件中存在橫向流動，導(dǎo)致電流分布不均勻，產(chǎn)生較多熱量,很大程度上影響了GaN基器件的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。

因此迫切需要尋找一種熱導(dǎo)率高、可以快速地將器件內(nèi)熱量熱量傳遞出來的材料作為襯底。而金屬Os作為外延氮化物的襯底材料，具有三大其獨(dú)特的優(yōu)勢。第一，金屬Os有很高的熱導(dǎo)率，Os的熱導(dǎo)率為87.6W/cmK，可以將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時的傳導(dǎo)出，以降低器件的溫度，一方面提高器件的內(nèi)量子效率，另一方面有助于解決器件散熱問題。第二，金屬Os可以作為生長GaN基垂直結(jié)構(gòu)的電池和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(chǎn)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Os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制造成本。正因為上述諸多優(yōu)勢，金屬襯底現(xiàn)已被嘗試用作III族氮化物外延生長的襯底材料。

但是金屬Os物理性質(zhì)硬而脆，在拋光處理的時候容易破損。而且，襯底在高溫下化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，當(dāng)外延溫度高于600℃的時候，外延氮化物會與金屬襯底之間發(fā)生界面反應(yīng)，嚴(yán)重影響了外延薄膜生長的質(zhì)量。另外，Os金屬在高溫下容易被氧化成劇毒氧化物，所以在生長時一定要保證生長腔室的真空度。III族氮化物外延生長的先驅(qū)研究者、著名科學(xué)家Akasaki等人就曾嘗試應(yīng)用傳統(tǒng)的MOCVD或者M(jìn)BE技術(shù)直接在化學(xué)性質(zhì)多變的襯底材料上外延生長氮化物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄膜在高溫下外延相當(dāng)困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于主要提供一種基于Os襯底的外延結(jié)構(gòu)的制作方法，其具有生長工藝簡單，制備成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，且制作的外延結(jié)構(gòu)，特別是其中的InGaN/GaN 多量子阱缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好，光電性能好。

為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明的一實施方案之中提供了一種基于Os襯底的外延結(jié)構(gòu)，其包括Os襯底和依次生長于Os襯底上的AlN過渡層、GaN緩沖層、非摻雜GaN層及InGaN/GaN多量子阱。

進(jìn)一步的，所述Os襯底以(100)面作為外延生長面。

優(yōu)選的，所述Os襯底的晶體外延取向關(guān)系為AlN[11-20]//Os[100]。

優(yōu)選的，所述AlN過渡層的厚度為100-200nm。

優(yōu)選的，所述GaN緩沖層的厚度為80～100nm。

優(yōu)選的，所述非摻雜GaN層的厚度為2～3μm。

優(yōu)選的，所述InGaN/GaN量子阱為5～10個周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為3～5nm，GaN壘層的厚度為15～18nm。

優(yōu)選的，所述AlN過渡層的生長溫度為450～550℃。

優(yōu)選的，所述GaN緩沖層的生長溫度為600～700℃。

優(yōu)選的，所述非摻雜GaN層的生長溫度為700～800℃。

優(yōu)選的，所述InGaN/GaN多量子阱為在650～750℃生長的InGaN/GaN量子阱。

本發(fā)明的一實施方案之中提供了一種制作所述基于Os襯底的外延結(jié)構(gòu)的制作方法，其包括：

(1)采用Os襯底的(100)面為外延面，并且晶體外延取向關(guān)系為AlN[11-20]//Os[100]；

(2)在所述Os襯底上生長AlN過渡層，生長條件包括：溫度為450～550℃、反應(yīng)室壓力為1～3×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比為40～50、生長速度為0.5～0.6ML/s；

(3)在所述AlN過渡層上生長GaN緩沖層，生長條件包括：溫度為600～700℃、反應(yīng)室壓力為1～3×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比為50～60、生長速度為0.4～0.6ML/s；

(4)在所述GaN緩沖層上生長非摻雜GaN層，生長條件包括：溫度為700～800℃，反應(yīng)室壓力為4～5×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值為40～60、生長速度為0.5～0.7ML/s；

(5)在所述非摻雜GaN層上生長InGaN/GaN多量子阱，生長條件包括：溫度為650～750℃，反應(yīng)室壓力為3～5.0×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值為30～40、生長速度為0.4～0.6ML/s。

進(jìn)一步的，步驟(1)包括：對被選定作為外延面的所述Os襯底表面依次進(jìn)行物理和/或化學(xué)機(jī)械拋光、清洗、除雜處理，從而形成所述Os襯底的外延面。

作為較佳實施方案之一，步驟(1)包括：

以金剛石泥漿對用作外延面的所述Os襯底表面進(jìn)行拋光，直至以光學(xué)顯微鏡觀察到所述Os襯底表面無劃痕后，再對所述Os襯底表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理；

對經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光處理后的所述Os襯底表面進(jìn)行清洗，其中采用的清洗液包括丙酮和/或異丙醇，以除去所述襯底表面的油污等殘留物質(zhì)；

將經(jīng)清洗后的所述Os襯底置入外延生長設(shè)備內(nèi)，在650-850℃保溫30-50min，以脫去所述Os襯底表面的雜質(zhì)，例如氧等。

進(jìn)一步的，該制作方法中采用的半導(dǎo)體材料生長工藝包括分子束外延(MBE)工藝，當(dāng)然也可以是MOVCD、PECVD等外延生長工藝。

進(jìn)一步的，在所述制作方法中，于外延生長過程中還可采用Bandit、RHEED等對于半導(dǎo)體材料生長的實時狀況進(jìn)行監(jiān)測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：提供的基于Os襯底的外延結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好，特別是其中InGaN/GaN多量子阱的結(jié)晶質(zhì)量好、光電性能好、缺陷少，且其制作方法簡單易實施，成本低廉。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中基于Os襯底的外延結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1中外延層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例1中InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的常溫光致發(fā)光圖譜；

附圖標(biāo)記說明：Os襯底10、AlN過渡層20、GaN緩沖層30、非摻雜GaN層40、InGaN/GaN量子阱50，1～8所示為8個周期的量子阱，其中每一量子阱均包含InGaN層11、GaN層12。

具體實施方式

下面結(jié)合若干實施例及附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1：

本實施例的基于Os襯底10的外延結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選擇：外延襯底選用Os襯底10，以(100)面為外延面，這樣保證了襯底與外延材料之間的最低失配度，能生長出高質(zhì)量的薄膜。

(2)AlN過渡層20的外延生長：溫度為470℃、反應(yīng)室壓力為3×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比為50、 生長速度為0.5ML/s；在Os襯底上生長AlN過渡層20；

(3)GaN緩沖層30的外延生長：溫度為600℃、反應(yīng)室壓力為3×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比為55、生長速度為0.6ML/s；在AlN過渡層20上生長GaN緩沖層30；

(4)非摻雜GaN層40的外延生長：溫度為720℃，在反應(yīng)室壓力5×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值50、生長速度0.5ML/s條件下，在GaN緩沖層30上生長非摻雜GaN層40；

(5)InGaN/GaN多量子阱50的外延生長：采用MBE生長多量子阱，溫度為680℃，在反應(yīng)室壓力5.0×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生長速度0.6ML/s的條件下，在步驟(4)得到的非摻雜GaN層40上生長InGaN/GaN多量子阱50，所述InGaN/GaN量子阱50為8個周期的InGaN/GaN，其中InGaN阱層的厚度為3nm，GaN壘層的厚度為12nm。

請參閱圖1所示是本實施例制備的生長在Os襯底10上的外延層的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括生長在金屬Os襯底10上的AlN過渡層20，生在AlN過渡層20上的GaN緩沖層30，生長在GaN緩沖層30上的非摻雜GaN層40，生長在非摻雜GaN層40上的InGaN/GaN多量子阱50。

如圖2所示為本實施例中InGaN/GaN多量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖，其中InGaN阱層的厚度為3nm，GaN壘層的厚度為12nm。

如圖3所示為本實施例制備的生長在Os金屬襯底上的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的常溫光致發(fā)光圖譜，從圖中可以看出GaN的發(fā)光在470nm，F(xiàn)WHM是24nm，顯示出良好的光電性能。

實施例2：

本實施例的基于Os襯底10的LED外延片的制備方法包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選擇：外延襯底選用Os襯底，以(100)面為外延面，這樣保證了襯底與外延材料之間的最低失配度，能生長出高質(zhì)量的GaN薄膜。

(2)AlN過渡層的外延生長：溫度為500℃、反應(yīng)室壓力為1×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比為55、生長速度為0.6ML/s；在Os襯底上生長AlN過渡層；

(3)GaN緩沖層的外延生長：溫度為700℃、反應(yīng)室壓力為1×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ比為50、生長速度為0.6ML/s；在AlN過渡層上生長GaN緩沖層；

(4)非摻雜GaN層的外延生長：溫度為750℃，在反應(yīng)室壓力3×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值50、生長速度0.6ML/s條件下，在GaN緩沖層上生長非摻雜GaN層；

(5)InGaN/GaN多量子阱的外延生長：采用MBE生長多量子阱，溫度為700℃，在反應(yīng)室壓力3.0×10^-6Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生長速度0.6ML/s的條件下，在步驟(4)得到的非摻雜GaN層上生長InGaN/GaN多量子阱，所述InGaN/GaN量子阱為10個周期的InGaN/GaN，其中InGaN 阱層的厚度為3nm，GaN壘層的厚度為10nm。

本實施例制備的基于金屬Os襯底的外延結(jié)構(gòu)無論是在光電學(xué)性質(zhì)上，還是在缺陷密度、結(jié)晶質(zhì)量都具有非常好的性能，測試數(shù)據(jù)與實施例1相近，在此不再贅述。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。