CN106328774A - 一种GaN薄膜的外延生长方法及应用 - Google Patents
一种GaN薄膜的外延生长方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106328774A CN106328774A CN201610752400.7A CN201610752400A CN106328774A CN 106328774 A CN106328774 A CN 106328774A CN 201610752400 A CN201610752400 A CN 201610752400A CN 106328774 A CN106328774 A CN 106328774A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- substrate
- gan film
- epitaxial growth
- gan
- growth method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 96
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910026161 MgAl2O4 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 11
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 claims description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 4
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims 2
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 abstract description 23
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 10
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 abstract 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 50
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 12
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 8
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 5
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 238000010406 interfacial reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 229960000935 dehydrated alcohol Drugs 0.000 description 2
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000002017 high-resolution X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010037660 Pyrexia Diseases 0.000 description 1
- 229910007991 Si-N Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020776 SixNy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006294 Si—N Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02414—Oxide semiconducting materials not being Group 12/16 materials, e.g. ternary compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02433—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02455—Group 13/15 materials
- H01L21/02458—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了GaN薄膜的外延生长方法，包括以下步骤：(1)衬底以及其晶向的选取；(2)使用PLD工艺在衬底上低温外延一层AlN模板：(3)使用MOCVD工艺在AlN模板上外延生长GaN薄膜。与现有技术相比，本发明具有生长时间短，制备成本低廉的优点，同时本发明制备的GaN薄膜具有缺陷密度低、结晶质量好等特点，可广泛应用于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、太阳能电池等领域。
Description
技术领域
本发明涉及GaN薄膜的制备领域，特别涉及一种GaN薄膜的外延生长方法及应用。
背景技术
III-族氮化物(InN，GaN，AlN)及其合金在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。III-族氮化物是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，是制造发光二极管(LED)和激光二极管(LD)、介电层薄膜声波谐振器、光电探测器等器件的理想材料。目前，蓝宝石被作为衬底广泛应用于氮化物材料外延生长及相关器件制备，这主要是由于蓝宝石在高温的外延生长条件下物理化学性质稳定、机械强度好，同时其生产工艺成熟、易于加工。然而，蓝宝石与(In)GaN外延材料具有较大的晶格失配度，其与GaN的晶格失配高达13.3％，室温下蓝宝石与GaN之间的热失配度很高(约为25.5％)。其次，蓝宝石的导热率低下，并且为绝缘体，所制备得器件的电流流向为横向结构，这会导致电流分布不均匀，在器件工作中会产生较多热量，不适合制造大功率器件。
为解决蓝宝石衬底上LED外延材料与芯片所面临的问题，研究者们致力于寻找替代传统蓝宝石的新型衬底材料。以Si衬底为例。近年来，Si衬底由于具有低成本、大尺寸、热稳定性高等优点，被应用于氮化物薄膜的外延制备中。不过，目前在Si衬底上制备GaN单晶薄膜的质量不如蓝宝石衬底上制备的GaN单晶薄膜，主要有以下原因：1)Si与GaN的晶格失配很大(-16.9％)，会使GaN外延层出现大量的位错。2)Si的热膨胀系数为2.59×10-6K-1，与GaN热失配高达54％，这样会导致在外延膜中产生巨大的张应力，从而更容易引起外延膜的龟裂。3)在Si衬底上外延生长GaN时，由于Si-N的键能很大，Si衬底在高温下遇活性N易在界面处容易形成无定形的SixNy层，这严重影响了氮化物薄膜的生长质量。
一般而言，氮化物薄膜是由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)高温生长技术制备而得，但是由于氮化物外延层与新型衬底之间具有较大的热膨胀系数失配，导致在降温过程中会对外延薄膜引入大量缺陷和裂纹，大大降低了氮化物薄膜的性能。针对这一问题，应在低温的生长条件来进行外延生长，低温外延生长既可以避免界面反应层的出现，还可以避免出现热应力导致薄膜龟裂等情况。由此，在低温下就能进行外延生长的脉冲激光沉积(PLD)技术无疑是一种很好的选择。PLD采用高能激光烧蚀靶材，烧蚀粒子在吸收了脉冲激光能量后具有高能的特点，粒子带来相当大的动能，可以实现在低温衬底上较快迁移和扩散，从而使沉积粒子能在脉冲间断时间内朝着平衡位置迁移，实现在低温下高质量氮化物单晶薄膜的外延生长。
然而，虽然目前采用PLD技术生长III族氮化物薄膜已较为常见，但是采用PLD技术在新型衬底上制备得光电器件的研究仍少有报道。一方面，由于低温外延生长设备的局限性，目前采用PLD法进行氮化物薄膜高效掺杂的难度较大，对于靶材的组分、纯度等要求很高；另一方面，PLD生长的速度很快，难以制备出多量子阱等需要精确控制厚度的结构。PLD的这些缺点，严重限制了它的推广和应用范围。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种GaN薄膜的外延生长方法，充分利用了PLD和MOCVD的各自优点，并避开了PLD和MOCVD各自的缺点，该薄膜外延生长技术具有生长时间短，成本低廉，产品质量好的优点，同时采用该薄膜外延生长技术制备的GaN薄膜具有缺陷密度低、结晶质量好等特点。
本发明的另一目的在于提供上述GaN薄膜的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种GaN薄膜的外延生长方法，包括以下步骤：
(1)衬底以及其晶向的选取；
(2)使用PLD工艺在衬底上低温外延一层AlN模板：
衬底温度650-850℃，转速为5-10r/min，靶基距为5-8cm，激光波长为150-355nm，激光能量为150-280mJ/p，频率5-30Hz，氮的等离子体流量为4-5sccm，RF活化功率为350-500W；
(3)使用MOCVD工艺在AlN模板上外延生长GaN薄膜。
步骤(3)所述使用MOCVD工艺在AlN模板上外延生长GaN薄膜，具体为：
衬底温度为1000-1300℃，转速为800-1500r/min，气压为30-100mbar，V/III为500-8000。
所述衬底为Si衬底、MgO或MgAl2O4氧化物衬底。
步骤(1)所述晶向的选取，具体为：当衬底为Si衬底时，以(111)面偏(110)方向0.2-1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0002)面平行于Si的(111)面。
所述衬底为经过表面抛光、清洗以及退火处理的衬底。
所述AlN模板的厚度为10-50nm。
所述GaN薄膜的厚度为100-3000nm。
所述的GaN薄膜的外延生长方法得到的GaN薄膜的应用，用于制备LED、LD、光电探测器或太阳能电池。
本发明充分利用了PLD和MOCVD的优点，能够有效抑制新型衬底和氮化物薄膜之间的界面反应，减少薄膜裂纹，提高晶体质量。利用PLD进行二维低温生长，获得大量的形核中心，抑制界面反应，然后转移至MOCVD生长室内进行二维高温生长，实现GaN薄膜的高效掺杂，应用低温联合高温外延生长技术在新型衬底上制备高质量GaN薄膜。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明充分利用了PLD和MOCVD各自的优势，首先使用PLD在衬底上低温外延一层高质量的AlN模板，抑制界面反应，减少薄膜了裂纹；然后使用MOCVD高温外延u-GaN、n-GaN、p-GaN、量子阱等；克服了传统单一的薄膜外延生长技术的不足。
(2)本发明有利于制备高质量的GaN薄膜，可在高效LED器件、太阳能电池、LD制造领域发挥重要作用。
(3)本发明应用范围广，不但适用于GaN薄膜，同样适用于其它固体薄膜。
(4)本发明有利于缩短薄膜及器件制备所耗时间，成本低廉。
(5)本发明简单易行，具有可重复性。
附图说明
图1为实施例1制备的GaN薄膜的剖面示意图。
图2为实施例1制备得GaN薄膜的高分辨X射线衍射(HRXRD)图谱。
图3为实施例1制备得GaN薄膜的显微镜图像。
具体实施方式
下面结合实施例，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
生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面偏(110)方向0.2°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0002)面平行于Si的(111)面。
2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述衬底表面抛光，具体为：首先将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理；
所述清洗，具体为：将Si衬底放入H2SO4:H2O2:H2O(3:1:1)和5％HF混合的化学试剂中室温下超声清洗30秒，去除Si衬底表面的氧化物及有机物，用去离子水冲洗Si衬底2分钟，再将Si衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除衬底表面残留的化学试剂，用高纯干燥氮气吹干；
所述退火的具体过程为：将衬底放入PLD生长室内，在850℃下氮气氛围中对Si衬底进行退火处理1小时。
3)低温外延生长AlN模板：采用PLD生长工艺，衬底温度控制在750℃，衬底转速为10r/min，靶基距为6cm，激光波长为248nm，激光能量为250mJ/p，频率10Hz，氮的等离子体流量为4sccm，RF活化功率为500W，使用高能激光蒸发7N的陶瓷AlN靶，在衬底上生长厚度为30nm的AlN模板。
4)高温外延生长GaN薄膜：采用MOCVD生长工艺，将衬底温度控制在1050℃，石墨盘转速为1000r/min，反应室气压为50mbar，V/III为1000，在步骤3)得到的AlN模板上生长厚度为500nm的GaN薄膜。
如图1所示，本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜，它包括Si衬底11,依次生长在Si衬底上的AlN低温模板12、GaN薄膜13；所述Si衬底11以(111)面偏(110)方向0.2°为外延面。
图2是本实施例制备的GaN薄膜的X射线回摆曲线，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于280arcsec，表明在Si(111)衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。
图3是本实施例制备的GaN薄膜的显微镜表征图像，可见，在Si衬底上外延生长出了无裂纹的GaN薄膜。
将本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜用于制备LED：在本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜上依次外延生长Si掺杂的n型掺Si的GaN层、InxGa1-xN多量子阱层、Mg掺杂的p型掺镁的GaN层，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在Si衬底上制备得到的GaN基LED器件，其n型GaN的厚度约为3μm，其载流子的浓度为1.9×1019cm-3；InxGa1-xN/GaN多量子阱层的厚度约为150nm,周期数为10，其中InxGa1-xN阱层为5nm，GaN垒层为10nm，p型掺镁的GaN层厚度约为500nm，其载流子的浓度为6×1017cm-3。在20mA的工作电流下，LED器件的光输出功率为6.2mW，开启电压值为3.20V。
将本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜用于制备光电探测器：在本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜上依次外延生长n型掺镁的GaN、非掺杂GaN、p型掺镁的GaN，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中n型掺SiGaN厚度约为2.5μm,其载流子的浓度为2.1×1019cm-3；非掺杂GaN厚度约为200nm,其载流子浓度为3.2×1016cm-3；p型掺镁的GaN度约为1.2μm。本实施例所制备的光电探测器在1V偏压下,暗电流仅为50pA,并且器件在1V偏压下，在356nm处响应度的最大值达到了1.3A/W。
实施例2
生长在MgO衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)衬底以及其晶向的选取：采用MgO衬底，以(111)面偏(110)方向0.5°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0002)面平行于MgO的(111)面。
2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述衬底表面抛光，具体为：首先将MgO衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理；
所述清洗，具体为：将MgO衬底放入无水乙醇中室温下超声清洗30秒，去除MgO衬底表面的有机物，用去离子水冲洗MgO衬底2分钟，再将MgO衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除衬底表面残留的化学试剂，用高纯干燥氮气吹干；
所述退火的具体过程为：将衬底放入PLD生长室内，在900℃下氮气氛围中对MgO衬底进行退火处理1小时。
3)低温外延生长AlN模板：采用PLD生长工艺，衬底温度控制在800℃，衬底转速为10r/min，靶基距为8cm，激光波长为248nm，激光能量为220mJ/p，频率30Hz，氮的等离子体流量为6sccm，RF活化功率为450W，使用高能激光蒸发7N的陶瓷AlN靶，在衬底上生长厚度为50nm的AlN模板。
4)高温外延生长GaN薄膜：采用MOCVD生长工艺，将衬底温度控制在1200℃，石墨盘转速为1100r/min，反应室气压为70mbar，V/III为8000，在步骤3)得到的AlN模板上生长厚度为100nm的GaN薄膜。
本实施例制备的MgO衬底上的GaN薄膜具有非常好的晶体质量，测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
实施例3
生长在MgAl2O4衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)衬底以及其晶向的选取：采用MgAl2O4衬底，以(111)面偏(110)方向0.5°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0002)面平行于MgAl2O4的(111)面。
2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述衬底表面抛光，具体为：首先将MgAl2O4衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理；
所述清洗，具体为：将MgAl2O4衬底放入无水乙醇中室温下超声清洗30秒，去除MgAl2O4衬底表面的有机物，用去离子水冲洗MgAl2O4衬底2分钟，再将MgAl2O4衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除衬底表面残留的化学试剂，用高纯干燥氮气吹干；
所述退火的具体过程为：将衬底放入PLD生长室内，在900℃下氮气氛围中对MgAl2O4衬底进行退火处理1小时。
3)低温外延生长AlN模板：采用PLD生长工艺，衬底温度控制在800℃，衬底转速为10r/min，靶基距为8cm，激光波长为248nm，激光能量为220mJ/p，频率30Hz，氮的等离子体流量为6sccm，RF活化功率为450W，使用高能激光蒸发7N的陶瓷AlN靶，在衬底上生长厚度为10nm的AlN模板。
4)高温外延生长GaN薄膜：采用MOCVD生长工艺，将衬底温度控制在1200℃，石墨盘转速为1100r/min，反应室气压为70mbar，V/III为1000，在步骤3)得到的AlN模板上生长厚度为3000nm的GaN薄膜。
本实施例制备的MgAl2O4衬底上的GaN薄膜具有非常好的晶体质量，测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
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 (8)
1.一种GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)衬底以及其晶向的选取；
(2)使用PLD工艺在衬底上低温外延一层AlN模板：
衬底温度650-850℃，转速为5-10r/min，靶基距为5-8cm，激光波长为150-355nm，激光能量为150-280mJ/p，频率5-30Hz，氮的等离子体流量为4-5sccm，RF活化功率为350-500W；
(3)使用MOCVD工艺在AlN模板上外延生长GaN薄膜。
2.根据权利要求1所述的GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于，步骤(3)所述使用MOCVD工艺在AlN模板上外延生长GaN薄膜，具体为：
衬底温度为1000-1300℃，转速为800-1500r/min，气压为30-100mbar，V/III为500-8000。
3.根据权利要求1所述的GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于，所述衬底为Si衬底、MgO或MgAl2O4氧化物衬底。
4.根据权利要求3所述的GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于，步骤(1)所述晶向的选取，具体为：当衬底为Si衬底时，以(111)面偏(110)方向0.2-1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0002)面平行于Si的(111)面。
5.根据权利要求1所述的GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于，所述衬底为经过表面抛光、清洗以及退火处理的衬底。
6.根据权利要求1所述的GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于，所述AlN模板的厚度为10-50nm。
7.根据权利要求1所述的GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于，所述GaN薄膜的厚度为100-3000nm。
8.权利要求1～7任一项所述的GaN薄膜的外延生长方法得到的GaN薄膜的应用，其特征在于，用于制备LED、LD、光电探测器或太阳能电池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610752400.7A CN106328774A (zh) | 2016-08-29 | 2016-08-29 | 一种GaN薄膜的外延生长方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610752400.7A CN106328774A (zh) | 2016-08-29 | 2016-08-29 | 一种GaN薄膜的外延生长方法及应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106328774A true CN106328774A (zh) | 2017-01-11 |
Family
ID=57788767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610752400.7A Pending CN106328774A (zh) | 2016-08-29 | 2016-08-29 | 一种GaN薄膜的外延生长方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106328774A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109797375A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-24 | 晶能光电（江西）有限公司 | 硅基外延片厚度均匀性的改善方法 |
| CN110517950A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-29 | 太原理工大学 | 一种在金刚石衬底上制备闪锌矿GaN薄膜的方法 |
| CN110904412A (zh) * | 2019-12-16 | 2020-03-24 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种提高太赫兹器件散热及输出功率的方法 |
-
2016
- 2016-08-29 CN CN201610752400.7A patent/CN106328774A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109797375A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-24 | 晶能光电（江西）有限公司 | 硅基外延片厚度均匀性的改善方法 |
| CN110517950A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-29 | 太原理工大学 | 一种在金刚石衬底上制备闪锌矿GaN薄膜的方法 |
| CN110904412A (zh) * | 2019-12-16 | 2020-03-24 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种提高太赫兹器件散热及输出功率的方法 |
| CN110904412B (zh) * | 2019-12-16 | 2021-11-30 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种提高太赫兹器件散热及输出功率的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103022295B (zh) | 一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN102945898B (zh) | 生长在金属Ag衬底上的AlN薄膜及其制备方法、应用 | |
| CN100505165C (zh) | 一种制备氮化镓单晶衬底的方法 | |
| CN108206130B (zh) | 生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法 | |
| CN103035496B (zh) | 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用 | |
| JPH05343741A (ja) | 窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法 | |
| CN104505445B (zh) | 一种复合透明导电电极的led芯片制作方法 | |
| CN106783948A (zh) | 生长在Si衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法 | |
| CN103996605B (zh) | 一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备及其应用 | |
| CN109037371A (zh) | 生长在Al衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用 | |
| CN103114332A (zh) | 一种通过表面改性自分离制备氮化镓单晶衬底的方法 | |
| CN103996764B (zh) | 生长在Ag衬底的LED外延片及其制备方法和应用 | |
| CN106328774A (zh) | 一种GaN薄膜的外延生长方法及应用 | |
| CN103996610B (zh) | 一种生长在金属铝衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN103996611B (zh) | 一种生长在金属Al衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN203950831U (zh) | 生长在Cu衬底的LED外延片 | |
| CN101469448B (zh) | 在蓝宝石上生长大尺寸高质量氧化锌单晶厚膜的方法 | |
| CN106158592A (zh) | 生长在铝酸镁钪衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN209000923U (zh) | 生长在Al衬底上的InGaN纳米柱 | |
| CN106910807A (zh) | 一种用于生长外延片的复合衬底及其制备方法 | |
| CN203179936U (zh) | 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及含该GaN薄膜的电器元件 | |
| CN105977138B (zh) | 生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用 | |
| CN103180971A (zh) | 生长于衬底上的iii族氮化物层 | |
| CN106299068B (zh) | 基于Os衬底的外延结构及其制作方法 | |
| KR100793443B1 (ko) | 질화물계 화합물 반도체용 기판 구조체 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170111 |