CN102544276A - 生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜,包括生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN缓冲层及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN层;所述非极性m面GaN缓冲层是在衬底温度为220-350℃时生长的GaN膜层;所述非极性m面GaN层是在衬底温度为600-750℃时生长的GaN膜层。本发明还公开了上述非极性GaN薄膜的制备方法及应用。与现有技术相比,本发明具有生长工艺简单,制备成本低廉的优点,且制备的非极性GaN薄膜缺陷密度低、结晶质量好。
Description
技术领域
本发明涉及非极性GaN薄膜及其制备方法,特别涉及生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜及其制备方法、应用。
背景技术
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。
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。
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)。
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。
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。因此新型衬底上外延生长非极性氮化镓LED外延片一直是研究的热点和难点。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足,本发明的目的之一在于提供一种生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜,具有缺陷密度低、结晶质量好的优点,且制备成本低廉。本发明的目的之二在于提供上述非极性GaN薄膜的制备方法。本发明的目的之三在于提供上述非极性GaN薄膜的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜,包括生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN缓冲层及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层;所述非极性m面GaN缓冲层是在衬底温度为220-350℃时生长的GaN层;所述非极性m面GaN层是在衬底温度为600-750℃时生长的GaN层。
所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30-60nm。
上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(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°;
(2)对衬底进行退火处理:将衬底在900-1000℃下高温烘烤3-5h后空冷至室温;
(3)对衬底进行表面清洁处理;
(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:衬底温度为220-350℃,反应室压力为5-7×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ比为50-60、生长速度为0.4-0.6ML/s;
(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层,工艺条件为:衬底温度升至600-750℃,反应室压力为3-5×10-5pa、Ⅴ/Ⅲ比为30-40、生长速度为0.8-1.0ML/s。
所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30-60nm。
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℃,高温烘烤20-30分钟,除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。
所述超高真空条件为压力小于6×10-7Pa。
上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN基LED器件。
上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN紫外光电探测器。
上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备InGaN太阳能电池器件。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
(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m面GaN外延层,极大的提高了LED的发光效率。
(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。
(3)制备出非极性GaN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。
(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
图1为本发明制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的截面示意图。
图2为本发明制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的XRD测试图。
图3为本发明制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的透射电镜图。
图4为本发明制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的CL(阴极射线)谱测试图。
具体实施方式
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。
实施例1
本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(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°。
(2)对衬底进行退火处理:将衬底在900℃下高温烘烤3-5h后空冷至室温。
(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℃,高温烘烤20分钟,除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。
(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:衬底温度为220℃,5×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ比为50、生长速度为0.4ML/s;
(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层,工艺条件为:衬底温度升至600℃,反应室压力为3×10-5pa、Ⅴ/Ⅲ比为30、生长速度为0.8ML/s。
如图1所示,本发明制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜,包括生长在LiGaO2衬底11上的非极性m面GaN缓冲层12及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层13。
图2为本发明制备的生长在LiGaO2衬底(100)面上的非极性GaN薄膜的XRD测试图。测试得到GaN(1-100)面(即m面)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于0.1°,表明本发明制备的非极性GaN薄膜无论是在缺陷密度还是在结晶质量上,都具有非常好的性能。
图3为本发明制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的透射电镜图。由图可知,LiGaO2衬底的晶体取向为(100)晶面,偏向(110)方向0.2°,GaN与LiGaO2衬底之间的界面清晰。0.5nm为LiGaO2衬底沿(001)的晶格常数,0.52nm为沿(0001)方向的GaN的晶格常数,而且衬底上生长的晶面关系是GaN(1-100)‖LiGaO2(100)。
图4为本发明制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜的在温度为5K下CL谱测试图。由图可知,温度为5K下CL谱测试得到带间激子复合发光峰为3.48eV,表明本发明制备的非极性GaN薄膜无论是电学性质还是在光学性质上,都具有非常好的性能。
利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜制备p-i-n结构的GaN基LED器件的步骤如下:在上述步骤得到的非极性m面GaN外延层上依次生长n型掺硅GaN外延层、InxGa1-xN多量子阱层、Mg掺杂的p型GaN层;再经电子束蒸发形成欧姆接触;最后通过在N2气氛下退火,以提高p型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。其中,n型掺硅GaN外延层的厚度为5μm,载流子的浓度为1×1019cm-3;InxGa1-xN多量子阱层厚度约为100nm,周期数为7,其中InxGa1-xN阱层为3nm,垒层为10nm;Mg掺杂的p型GaN层的厚度约为150nm,载流子浓度为2×1016cm-3。
实施例2
本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(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°。
(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。
(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℃,高温烘烤30分钟,除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。
(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:衬底温度为350℃,7×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ比为60、生长速度为0.6ML/s;
(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层,工艺条件为:衬底温度升至750℃,反应室压力为5×10-5pa、Ⅴ/Ⅲ比为40、生长速度为1.0ML/s。
利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜制备GaN紫外光电探测器的步骤如下:在上述步骤得到的非极性m面GaN外延层上依次生长n型掺硅GaN外延层、本征GaN外延层、Mg掺杂的p型GaN层;再经电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结;最后通过在N2气氛下退火,以提高p型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。其中,n型掺硅GaN外延层的厚度为3μm,载流子的浓度为1×1019cm-3;本征GaN外延层的厚度为200nm,载流子的浓度为2.2×1016cm-3;Mg掺杂的p型GaN的厚度约为1.5μm。
实施例3
本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(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°。
(2)对衬底进行退火处理:将衬底在950℃下高温烘烤4h后空冷至室温。
(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8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870℃,高温烘烤25分钟,除去衬LiGaO2底表面残余的杂质。
(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:衬底温度为300℃,6×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ比为55、生长速度为0.5ML/s;
(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层,工艺条件为:衬底温度升至700℃,反应室压力为4×10-5pa、Ⅴ/Ⅲ比为35、生长速度为0.9ML/s。
利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜制备InGaN太阳能电池器件的步骤如下:在上述步骤得到的非极性m面GaN外延层上依次生长具有成分梯度的InxGa1-xN缓冲层(x的值在0-0.2之间可调)、n型掺硅InxGa1-xN外延层、InxGa1-xN多量子阱层、Mg掺杂的p型InxGa1-xN层;再经电子束蒸发形成欧姆接触;最后通过在N2气氛下退火,以提高p型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。其中,n型掺硅GaN外延层的厚度为5μm,载流子的浓度为1×1019cm-3;InxGa1-xN多量子阱层厚度约为300nm,周期数为20,其中In0.2Ga0.8N阱层厚度为3nm,In0.08Ga0.92N垒层为10nm;Mg掺杂的p型InxGa1-xN层的厚度约为200nm,载流子浓度为2×1016cm-3。
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。
Claims (9)
1.生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜,其特征在于,包括生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN缓冲层及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层;所述非极性m面GaN缓冲层是在衬底温度为220-350℃时生长的GaN层;所述非极性m面GaN层是在衬底温度为600-750℃时生长的GaN层。
2.根据权利要求1所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜,其特征在于,所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30-60nm。
3.生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(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°;
(2)对衬底进行退火处理:将衬底在900-1000℃下高温烘烤3-5h后空冷至室温;
(3)对衬底进行表面清洁处理;
(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:衬底温度为220-350℃,反应室压力为5-7×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ比为50-60、生长速度为0.4-0.6ML/s;
(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层,工艺条件为:衬底温度升至600-750℃,反应室压力为3-5×10-5pa、Ⅴ/Ⅲ比为30-40、生长速度为0.8-1.0ML/s。
4.根据权利要求3所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,其特征在于,所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30-60nm。
5.根据权利要求3所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,其特征在于,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℃,高温烘烤20-30分钟,除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。
6.根据权利要求5所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法,其特征在于,所述超高真空条件为压力小于6×10-7Pa。
7.权利要求1~2任一项所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN基LED器件。
8.权利要求1~2任一项所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN紫外光电探测器。
9.权利要求1~2任一项所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备InGaN太阳能电池器件。
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