制备高发光效率AlGaN纳米柱LED结构的方法

制备高发光效率algan纳米柱led结构的方法
技术领域
1.本发明涉及一种制备高发光效率algan纳米柱led结构的方法，属于宽禁带半导体材料技术领域。


背景技术：

2.紫外(uv)光电器件在食品工业、生物检测、医疗和其他领域的广泛应用，已经得到越来越多的关注。algan基的紫外线器件相较于传统的紫外线灯，更加环保，具有更高的潜在效率，被认为是潜在的优良产品。algan三元材料已被深入研究用于紫外器件，如紫外发光二极管(led)和紫外激光器(ld)。然而，与成熟的gan基器件相比，algan器件在高外量子效率(eqe)方面存在挑战，特别是在深紫外范围内。基于algan的器件所面临的挑战包括高位错密度、低光提取效率(lee)和没有有效的p掺杂。
3.由于algan薄膜的缺点，algan纳米柱成为实现高性能紫外器件的另一种途径。与algan薄膜相比，纳米柱有独特的优势。纳米柱生长具备低位错密度和高结晶质量；且纳米柱有大的表面与体积比，这提供了有效的横向应力松弛与薄膜相比；在纳米柱结构中，mg掺杂明显增强；与此同时，纳米柱与基底材料有很高的兼容性，可以在硅、蓝宝石、二氧化硅、金属等多种衬底上进行生长。基于algan纳米柱的诸多优点，algan纳米柱有成为高性能紫外器件的潜力，因此探索实现高发光效率的algan纳米柱led结构，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种制备高发光效率algan纳米柱led结构的方法。
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种制备高发光效率algan纳米柱led结构的方法，其步骤包括：
7.1)对衬底进行清洗；
8.2)利用pa-mbe法在衬底上进行n型掺杂gan纳米柱的生长；
9.3)利用pa-mbe法在gan纳米柱上进行n型掺杂algan纳米柱的生长；
10.4)利用pa-mbe法在algan纳米柱上进行非掺algan纳米柱量子阱结构阱层的生长；
11.5)利用pa-mbe法在阱层上进行非掺algan纳米柱量子阱结构垒层的生长；
12.6)以步骤4)和步骤5)为一周期，重复一定周期，生长多周期量子阱结构的纳米柱；
13.7)利用pa-mbe法在多周期量子阱结构纳米柱上进行p型algan纳米柱的生长。
14.优选的，步骤1)中衬底可用si或蓝宝石作为衬底，清洗为将衬底先经过丙酮、乙醇、去离子水冲洗后，放入boe溶液中清洗5～10分钟。
15.优选的，步骤2)中生长温度为720℃～880℃，ga束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，si掺杂浓度控制在1
×
10
18
/cm3～1
×
10
20
/cm3，生长时间为3～5小时。
16.优选的，步骤3)中生长温度为720℃～900℃，等于或高于步骤2)所采用gan纳米柱生长温度，al束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，ga束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，si掺杂浓度控制在1
×
10
18
/cm3～1
×
10
20
/cm3，生长时间为20～
60分钟。
17.优选的，步骤4)中生长algan量子阱结构阱层生长温度为720℃～900℃，al束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，低于步骤3)中所用al束流，ga束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，生长时间为30～300秒。
18.优选的，步骤5)中生长algan量子垒结构垒层生长温度为720℃～900℃，al束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，与步骤3)中所用al束流保持一致，ga束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，生长时间为120～300秒。
19.优选的，步骤6)重复周期数为3～20周期。
20.优选的，步骤7)中生长温度为720℃～900℃，al束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，ga束流量控制在1.0
×
10-8
torr～5.0
×
10-7
torr之间，mg掺杂浓度控制在1
×
10
18
/cm3～1
×
10
20
/cm3，生长时间为20～60分钟。
21.本发明利用pa-mbe法常规衬底上通过优化，获得高质量的n型掺杂gan纳米柱，并生长n型掺杂algan纳米柱，再生长非掺“algan阱-algan垒”量子阱结构，algan量子阱结构作为载流子复合有源区，最后生长p型掺杂algan纳米柱led结构，实现低波长高发光效率纳米柱led结构。通过调控生长温度、量子阱结构厚度，金属源al/ga束流比可以实现发光波长的调控。生长过程中，通过rheed原位检测对纳米柱生长过程进行监测并对生长参数进行调试，通过优化生长参数，实现了高发光效率algan纳米柱led结构。
22.本发明的有益效果为：
23.(1)如果在常规衬底上直接生长algan，由于al原子迁移率低，会直接生长形成层状薄膜，而无法形成algan。本发明采用常规衬底生长的gan纳米柱作为模板，生长algan纳米柱，可以避免由于al原子迁移率低引起的纳米柱成膜现象，并且可以通过调控gan纳米柱的密度和直径，来调控algan纳米柱的密度和直径，使algan纳米柱生长可控。
24.(2)生长量子阱结构之前生长一段时间algan纳米柱，在algan纳米柱上外延量子阱结构，从而获得高质量的algan量子阱。避免直接在gan纳米柱外延algan量子阱，可减少由于gan/algan之间应力导致的发光质量下降问题。
25.(3)algan生长部分温度提高，可以提高algan纳米柱的质量，减少位错和缺陷密度，得到近乎无缺陷的algan纳米柱，采用量子阱结构作为有源区，限制载流子运动，提高复合速率，提高内量子效率，进而提高发光效率。
26.(4)在mbe高真空无氢环境下做mg掺杂，避免形成mg-h键，减少了退火工艺，可以获得更有效的p型掺杂。
27.(5)本发明的结构上采用“自下而上”生长的纳米柱结构，而非薄膜结构，传统纳米柱的获得方式是先在衬底上生长多层薄膜结构，然后刻蚀形成纳米柱，即“自上而下”的制备方式。两者相比，具有以下区别：
28.①“
自上而下”进行刻蚀形成纳米柱会在造成一定的刻蚀损伤，从而对发光及内量子效率产生影响；本发明采用“自下而上”的生长方式，生长的纳米柱没有刻蚀损伤，几乎是无缺陷的，从而能获得更高的内量子效率及发光强度。
29.②
在衬底上直接生长薄膜，由于晶格失配，会产生位错等缺陷，影响材料质量；而本发明的纳米柱具有大的面积/体积比，在生长过程中可以释放应力，得到几乎无缺陷的纳米柱，更容易获得高质量的纳米柱，提高发光效率。
30.③
由于大的晶格失配等原因，传统的薄膜材料往往需要在特定的衬底(如蓝宝石)上进行生长，而无法兼顾多种材料；由于本发明纳米柱结构成核点小，释放应力能力强等优点，纳米柱结构可以在多种衬底上实现生长，如si、蓝宝石、sio2、金属衬底等，对衬底的兼容性更好。
31.总之，本发明结构上采用“自下而上”生长的纳米柱结构，而非薄膜结构相比薄膜结构，纳米柱结构具有更高的面积/体积比，更容易释放应力，质量较好，且纳米柱结构具有更好的衬底兼容性，可以在多种衬底上进行生长；而纳米柱也没有采用“自上而下”的制备方式，，相较于“自上而下”的制备方式，“自下而上”生长方式步骤简单不复杂，对衬底污染少，且不会产生刻蚀损伤，因此采用本发明结构能够极大的提高algan量子阱发光器件质量，容易获得高质量高al组分晶体，获得高的发光强度和高的内量子效率，实现高效率algan发光器件。
附图说明
32.图1为高发光效率algan纳米柱led结构示意图。
33.图2为实施例1中pa-mbe生长的algan纳米柱led结构的sem俯视图、45度鸟瞰图及截面图。
34.图3为实施例1中pa-mbe生长的algan纳米柱led结构的stem图像。
35.图4为实施例1、2、3中pa-mbe生长的algan纳米柱led结构的pl图像。
36.图5为实施例1、4、5中pa-mbe生长的algan纳米柱led结构的pl波长变化、半峰宽变化图像。
具体实施方式
37.以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1
39.如图1结构所示，本发明例在制备高发光效率algan纳米柱led结构的具体步骤包括：
40.1)选用si衬底，依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
41.2)利用pa-mbe进行n型掺杂gan纳米柱生长，将si衬底放于pa-mbe中，生长温度为750℃，ga束流量为1
×
10-7
torr，氮气流量为1sccm，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长时间为3小时；
42.3)将生长温度提高至780℃，升温速率固定为15min/min，进行n型掺杂algan纳米柱生长，固定al束流量为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga束流量为1
×
10-7
torr，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
43.4)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为2
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱45秒；
44.5)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为5
×
10-8
torr，
氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱180秒；
45.6)以步骤5)、6)为一周期，重复五周期，共计生长五周期“algan阱-algan垒”结构；
46.7)生长温度保持不变，生长p型掺杂algan纳米柱，al的束流为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，mg掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
47.制备的algan纳米柱led结构的扫描电子显微镜(sem)俯视图、45度俯角鸟瞰图以及截面图如图2所示，扫描透射电子显微镜(stem)图如图3所示，样品的光致发光(pl)如图4所示，发光波长为320nm。从sem图可以看出，纳米柱准直性好，直径小于100nm，密度约为2
×
10
10
cm-2
，高度约300nm，hr-tem图与stem显示生长的纳米柱无明显位错及缺陷，结晶质量良好，量子阱区域界面清晰，生长的组分均匀。
48.实施例2
49.实施例2在制备高发光效率algan纳米柱led结构的具体步骤包括：
50.1)选用si衬底，依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
51.2)利用pa-mbe进行n型掺杂gan纳米柱生长，将si衬底放于pa-mbe中，生长温度为750℃，ga束流量为1
×
10-7
torr，氮气流量为1sccm，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长时间为3小时；
52.3)将生长温度提高至780℃，升温速率固定为15min/min，进行n型掺杂algan纳米柱生长，固定al束流量为6
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga束流量为1
×
10-7
torr，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
53.4)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为4
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱45秒；
54.5)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为6
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱180秒；
55.6)以步骤5)、6)为一周期，重复五周期，共计生长五周期“algan阱-algan垒”结构；
56.7)生长温度保持不变，生长p型掺杂algan纳米柱，al的束流为6
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，mg掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
57.制备的algan纳米柱pl发光光谱如图4所示，发光波长为306nm。
58.实施例3
59.实施例3在制备高发光效率algan纳米柱led结构的具体步骤包括：
60.1)选用si衬底，依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
61.2)利用pa-mbe进行n型掺杂gan纳米柱生长，将si衬底放于pa-mbe中，生长温度为750℃，ga束流量为1
×
10-7
torr，氮气流量为1sccm，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长时间为3小时；
62.3)将生长温度提高至780℃，升温速率固定为15min/min，进行n型掺杂algan纳米柱生长，固定al束流量为8
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga束流量为1
×
10-7
torr，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
63.4)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱45秒；
64.5)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为8
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱180秒；
65.6)以步骤5)、6)为一周期，重复五周期，共计生长五周期“algan阱-algan垒”结构；
66.7)生长温度保持不变，生长p型掺杂algan纳米柱，al的束流为8
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，mg掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
67.制备的algan纳米柱led结构pl发光光谱如图4所示，发光波长为289nm。实施例1-3表明，随着阱区al组分从2
×
10-8
torr增加到5
×
10-8
torr，al/ga比获得改变，可以实现对algan纳米柱led结构发光波长的有效调控，半峰宽(fhwm)在25nm左右，生长的algan纳米柱led结构具有高发光效率。
68.实施例4
69.实施例4在制备高发光效率algan纳米柱led结构的具体步骤包括：
70.1)选用si衬底，依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
71.2)利用pa-mbe进行n型掺杂gan纳米柱生长，将si衬底放于pa-mbe中，生长温度为750℃，ga束流量为1
×
10-7
torr，氮气流量为1sccm，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长时间为3小时；
72.3)将生长温度提高至780℃，升温速率固定为15min/min，进行n型掺杂algan纳米柱生长，固定al束流量为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga束流量为1
×
10-7
torr，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
73.4)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为2
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱65秒；
74.5)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱180秒；
75.6)以步骤5)、6)为一周期，重复五周期，共计生长五周期“algan阱-algan垒”结构；
76.7)生长温度保持不变，生长p型掺杂algan纳米柱，al的束流为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，mg掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
77.制备的algan纳米柱led结构pl发光波长为321nm。
78.实施例5
79.实施例5在制备高发光效率algan纳米柱led结构的具体步骤包括：
80.1)选用si衬底，依次用丙酮、酒精、水超声清洗5min后放于boe中清洗5min；
81.2)利用pa-mbe进行n型掺杂gan纳米柱生长，将si衬底放于pa-mbe中，生长温度为750℃，ga束流量为1
×
10-7
torr，氮气流量为1sccm，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长时间为3小时；
82.3)将生长温度提高至780℃，升温速率固定为15min/min，进行n型掺杂algan纳米柱生长，固定al束流量为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga束流量为1
×
10-7
torr，si掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
83.4)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为2
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米90秒；
84.5)生长温度保持不变，生长非掺algan量子阱结构阱层，al的束流为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，生长algan纳米柱180秒；
85.6)以步骤5)、6)为一周期，重复五周期，共计生长五周期“algan阱-algan垒”结构；
86.7)生长温度保持不变，生长p型掺杂algan纳米柱，al的束流为5
×
10-8
torr，氮气流量为1sccm，ga的束流为1
×
10-7
torr，mg掺杂浓度控制在2
×
10
19
/cm3，生长algan纳米柱20分钟；
87.制备的algan纳米柱pl发光波长为326nm。实施例1、4、5的发光波长与fhwm变化如图5所示，通过生长不同时间的量子阱结构，可以实现对波长及半峰宽的调控，从而获得高发光效率的algan纳米柱。