[实用新型]生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱

说明书

技术领域

本实用新型涉及InGaN/GaN多量子阱，特别涉及一种生长在铝酸镁钪(ScMgAlO₄)衬底上的InGaN/GaN多量子阱。

背景技术

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。

目前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。然而商业化的LED发光效率仍然有待提高，这主要是因为采用蓝宝石衬底上外延生长造成的。一方面，由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达13.3％，导致外延GaN薄膜过程中形成很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，最终影响了GaN基器件的性能。另一方面，由于室温下蓝宝石(热膨胀系数6.63×10^-6K^-1)与GaN(热膨胀系数5.6×10^-6K^-1)之间的热失配度高，当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。此外，由于蓝宝石的热导率低，室温下是25W/m·K，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。

因此，硅(Si)、部分金属(Al、Cu等)以及铝酸锶钽镧(La_0.3Sr_1.7AlTaO₆)、镓酸锂(LiGaO₂)等新型衬底材料陆续被用于外延生长GaN薄膜。然而，在这些衬底上生长GaN薄膜依然面临诸多问题。例如，Si衬底虽然价格低廉且尺寸大，但是Si衬底与外延层间晶格失配较大；具有高热导率的金属衬底多为面心立方结构或体心立方结构，生长出的GaN薄膜容易出现其他杂质相；La_0.3Sr_1.7AlTaO₆及LiGaO₂衬底与GaN薄膜间有较低的晶格失配，但大尺寸衬底的制备工艺困难，且衬底单晶质量差，不利于高质量GaN薄膜的生长与高性能GaN薄膜器件的产业化。因此，迫切寻找一种在匹配度、质量及成本等方面综合性能优越的衬底材料应用于外延生长GaN薄膜。此外，众所周知，制备高质量InGaN/GaN多量子阱是高效GaN基LED外延片的基础，新型衬底上外延生长制备高质量InGaN/GaN多量子阱势必是研究的难点与热点。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN多量子阱，所选择的铝酸镁钪衬底材料与GaN的晶格失配小(1.8％)，热失配小(9.7％)；此外，本实用新型的InGaN/GaN多量子阱具有缺陷密度低、结晶质量好，发光性能优良的优点。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱，包括依次生长在铝酸镁钪衬底上的第一GaN缓冲层、非晶态AlN插入层、第二GaN缓冲层、InGaN/GaN量子阱。

所述铝酸镁钪衬底以(0001)面偏(11-20)方向0.5～1°为外延面。

所述第一GaN缓冲层的厚度为250～400nm。

所述非晶态AlN插入层的厚度为2～50nm。

所述第二GaN缓冲层的厚度为250～400nm。

所述InGaN/GaN量子阱为7～10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。

生长在铝酸镁钪衬底上的InGaN/GaN量子阱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用铝酸镁钪衬底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄衬底的(0001)面；

(2)衬底退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入分子束外延真空生长室，在600～700℃下对ScMgAlO₄衬底进行退火处理1～2小时，获得原子级平整的衬底表面；

(3)第一GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为450～550℃，采用脉冲激光沉积技术在反应室的压力为1.0～4.0×10^-5Pa、激光能量密度为1.5～3.0J/cm²的条件下生长GaN缓冲层；