CN203179936U - 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及含该GaN薄膜的电器元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，其包括Si衬底层、生长在Si衬底层上的Al2O3保护层、生长在Al2O3保护层上的GaN薄膜层，所述Al2O3保护层的厚度为3－5nm。本实用新型还公开了含上述生长在Si衬底上的GaN薄膜的电器元件。本实用新型的生长在Si衬底上的GaN薄膜具有原材料成本低、产品缺陷密度低、晶体质量高、电学性能和光学性能优异的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及GaN薄膜领域，具体涉及一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及含该GaN薄膜的电器元件。
背景技术
Ⅲ族氮化镓多元系材料属于直接带隙的半导体材料，带隙可以从0.7eV 连续调节到6.2eV ，颜色覆盖从红外到紫外波长，在光电子如蓝光、绿光、紫外光发光二极管（LED）、短波长激光二极管（LD）、紫外探测器、布拉格反射波导等方面具有重要的应用和发展。另外GaN作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率、优异的物理化学稳定性等优异性能，在微电子应用方面也得到了广泛的关注。自I. Akasaki首次成功获得p-GaN，实现蓝光LED的新突破后，GaN基化合物半导体一直备受关注，在室内照明、商业照明、工程照明等领域有着广泛的应用。
高质量GaN材料一般都通过异质外延方法制作。衬底的选择对外延生长GaN材料的质量影响很大，一般需要遵循晶格常数匹配、热膨胀系数匹配、价格适宜等原则。不同衬底材料对GaN基LED器件的制备工艺也有非常重要的影响。譬如由于GaN晶体存在着自发极化和压电极化效应，不同的衬底会使所获得的材料表现出不同的极化特性。此外，由于不同材料价格差异较大，衬底材料的不同还会使LED的成本产生较大的差别。由此可见，GaN基LED衬底材料的选择至关重要。
作为常用于生长GaN的衬底，蓝宝石、SiC、Si目前都已实现器件级LED的制备，但各自衬底材料所带来的外延层生长问题，还需要不断攻克。蓝宝石有稳定的物理化学性质，但它与GaN间存在很大的晶格失配（16%）及热应力失配（25%），造成生长的GaN外延层质量较差。同时它导热性能差，这也严重制约着蓝宝石衬底大功率LED的发展。SiC虽然与GaN的晶格失配度仅3.5%，导热率较高，但它的热应力失配与蓝宝石相当（25.6%），与GaN的润湿性较差，价格昂贵。Si衬底具有成本低、单晶尺寸大且质量高、导热率高、导电性能良好等诸多特点，且Si的微电子技术十分成熟，因此Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。正是因为Si衬底的上述诸多优点，Si衬底上生长GaN薄膜进而制备LED越来越备受关注。但是，目前在Si衬底上制备GaN单晶薄膜的质量不如蓝宝石衬底，主要原因是：一、Si与GaN热膨胀失配远远高于蓝宝石，导致外延片更易于龟裂；二、Si衬底遇活性N在界面处易形成无定形的SixNy，影响GaN的生长质量；三、Si对可见光的吸收作用也会大大降低LED发光效率。
由此可见，即便Si衬底具有成本低、散热好，且方便制成垂直器件等优点，具有非常良好的发展前景，但要在Si衬底上生长高质量GaN薄膜，需要对结构或者生长工艺进行改进。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，其通过对现有生长在Si衬底上的GaN薄膜的结构进行改进，降低了GaN薄膜的缺陷密度低，并提高了晶体质量，使得该GaN薄膜具有优异的电学和光学性质。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，其包括Si衬底层、生长在Si衬底层上的Al2O3保护层、生长在Al2O3保护层上的GaN薄膜层。
所述Al2O3保护层的厚度为3－5nm。
上述生长在Si衬底上的GaN薄膜可以采用如下方法获得：
选取Si衬底，采用分子束外延生长法在Si衬底镀上一层Al层，然后通入氧等离子体至形成Al2O3保护层，再采用脉冲激光沉积生长法在Al2O3保护层上生长GaN薄膜层。
本实用新型还提供了一种含上述生长在Si衬底上的GaN薄膜的电器元件，其适合应用在太阳能电池中，其由下至上依次包括Si衬底层、Al2O3保护层、GaN薄膜层、InxGa1-xN缓冲层、n型掺硅InxGa1-xN 层、InxGa1-xN多量子阱层、p型掺镁InxGa1-xN层。
优选地，上述n型掺硅InxGa1-xN 层的厚度为5 μm，InxGa1-xN多量子阱层的厚度为300 nm，p型掺镁InxGa1-xN层的厚度为200 nm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、采用Si衬底，材料便宜容易获得。
2、先在Si衬底层上生长Al2O3保护层，之后再生长GaN薄膜层，Al2O3保护层能够有效防止Si衬底的界面处与活性N反应形成无定形的SixNy，从而避免了SixNy层对GaN生长质量的影响，获得高质量的GaN薄膜。另外，Al2O3保护层能够缓解Si衬底与GaN间巨大的热应力失配（114%），同时防止Si扩散到GaN中。
综上所述，本实用新型的生长在Si衬底上的GaN薄膜具有原材料成本低、产品缺陷密度低、晶体质量高、电学性能和光学性能优异的优点。
附图说明
图1为本实用新型的生长在Si衬底上的GaN薄膜的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例子对本实用新型作进一步详细说明。
实施例1
请参照图1，本实用新型的生长在Si衬底上的GaN薄膜包括Si衬底层11、生长在Si衬底层11上的Al2O3保护层12、生长在Al2O3保护层12上的GaN薄膜层13。
作为优选的方案，所述Al2O3保护层12的厚度为3－5nm。
本实用新型的生长在Si衬底上的GaN薄膜可以采用如下方法获得：
选取Si衬底，采用分子束外延生长法在Si衬底镀上一层Al层，然后通入氧等离子体至形成Al2O3保护层，再采用脉冲激光沉积生长法在Al2O3保护层上生长GaN薄膜层。
实施例2
请参照图2，一种含生长在Si衬底上的GaN薄膜的电器元件，其适合应用在太阳能电池中，其由下至上依次包括Si衬底层30a、Al2O3保护层30b、GaN薄膜层30c、InxGa1-xN缓冲层31、n型掺硅InxGa1-xN 层32、InxGa1-xN多量子阱层33、p型掺镁InxGa1-xN层34.
作为优选的方案，上述n型掺硅InxGa1-xN 层32的厚度为5 μm，InxGa1-xN多量子阱层33的厚度为300 nm，p型掺镁InxGa1-xN层34的厚度为200 nm。
Claims (4)
1.一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，其特征在于：包括Si衬底层、生长在Si衬底层上的Al2O3保护层、生长在Al2O3保护层上的GaN薄膜层。
2.如权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaN薄膜，其特征在于：所述Al2O3保护层的厚度为3－5nm。
3.一种含权利要求1或2所述的生长在Si衬底上的GaN薄膜的电器元件，其特征在于：由下至上依次包括Si衬底层、Al2O3保护层、GaN薄膜层、InxGa1-xN缓冲层、n型掺硅InxGa1-xN 层、InxGa1-xN多量子阱层、p型掺镁InxGa1-xN层。
4.如权利要求3所述的含生长在Si衬底上的GaN薄膜的电器元件，其特征在于：n型掺硅InxGa1-xN 层的厚度为5 μm，InxGa1-xN多量子阱层的厚度为300 nm，p型掺镁InxGa1-xN层的厚度为200 nm。
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