CN203339168U - 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜 - Google Patents
生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜 Download PDFInfo
- Publication number
- CN203339168U CN203339168U CN2013203127255U CN201320312725U CN203339168U CN 203339168 U CN203339168 U CN 203339168U CN 2013203127255 U CN2013203127255 U CN 2013203127255U CN 201320312725 U CN201320312725 U CN 201320312725U CN 203339168 U CN203339168 U CN 203339168U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gan
- substrate
- gan film
- altao
- grown
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本实用新型公开了生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜，包括生长在La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。所述La0.3Sr1.7AlTaO6衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面。本实用新型还公开了上述GaN薄膜的制备方法。与现有技术相比，本实用新型具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，同时本实用新型制备的GaN薄膜具有缺陷密度低、结晶质量好等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及GaN薄膜，特别涉及生长在铝酸锶钽镧(La0.3Sr1.7AlTaO6)衬底上的GaN薄膜。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。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。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。
III-族氮化物GaN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。GaN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，是制造高效的LED器件的理想材料。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。由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达17%，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，进而影响了GaN基器件的性能。其次，由于室温下蓝宝石热膨胀系数(6.63×10-6K-1)较GaN的热膨胀系数(5.6×10-6K-1)大，两者间的热失配度约为-18.4%，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。再次，由于蓝宝石的热导率低(100℃时为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。因此迫切寻找一种晶格匹配和热膨胀系数匹配的衬底材料应用于外延生长GaN薄膜。
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锶钽镧衬底上的GaN薄膜，具有晶体质量好的优点。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜，包括生长在La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。
所述La0.3Sr1.7AlTaO6衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面。
所述GaN缓冲层的厚度为50～80nm；所述GaN薄膜的厚度为100～300nm。
生长在铝酸锶钽镧衬底上的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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面，即GaN(0001)//La0.3Sr1.7AlTaO6(111)。La0.3Sr1.7AlTaO6(111)方向具有与GaN相同的六方对称性，立方相的La0.3Sr1.7AlTaO6（111）的晶格参数为
因而六方的La0.3Sr1.7AlTaO6(111)晶格参数ahex=6.312
这个数值刚好近似是GaN的晶格参数
的两倍，晶格失配度低至0.1%，保证了衬底与外延之间的晶格匹配；由于GaN与La0.3Sr1.7AlTaO6晶格失配度小，La0.3Sr1.7AlTaO6的热膨胀系数是5.8×10-6K-1，GaN的热膨胀系数是5.6×10-6K-1，热失配度低至3.6%，这么低的热失配度不利于应力的形成，有助于外延生长高质量GaN薄膜。
（2）衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入退火室内，在800～900℃下空气氛围中对La0.3Sr1.7AlTaO6衬底进行退火处理3～5小时然后空冷至室温。退火处理可使衬底获得原子级平整的表面。
（3）GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为450～550℃，在反应室的压力为6.0～7.2×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ值为50～60、生长速度为0.4～0.6ML/s的条件下生长GaN缓冲层；
（4）GaN薄膜的外延生长：采用分子束外延生长工艺，将衬底保持在500～600℃，在反应室的压力为4.0～5.0×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ值30～40、生长速度0.6～0.8ML/s条件下，在步骤（3）得到的GaN缓冲层上生长GaN薄膜，在450～550℃生长缓冲层，可以有效的抑制衬底和薄膜之间的界面反应，同时为外延生长提供足够多的生长能量。
所述GaN缓冲层的厚度为50～80nm；50～80nm厚的GaN缓冲层可以提供形核的中心，为接下来外延生长高质量GaN薄膜奠定基础。
所述GaN薄膜的厚度为100～300nm。
所述衬底表面抛光，具体为：
首先将La0.3Sr1.7AlTaO6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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底放入去离子水中室温下超声清洗3～5分钟，去除La0.3Sr1.7AlTaO6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，用高纯干燥氮气吹干。
所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜，用于制备LED、光电探测器和太阳能电池。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：
（1）本实用新型使用La0.3Sr1.7AlTaO6作为衬底，La0.3Sr1.7AlTaO6衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。
（2）本实用新型使用La0.3Sr1.7AlTaO6作为衬底，用于生长GaN缓冲层可以较容易获得岛状GaN，为下一步沉积高质量低缺陷的GaN薄膜做铺垫。
（3）本实用新型制备得到的GaN薄膜，由于半峰宽数值小，位错密度低，另外采用与GaN晶格失配和热失配度低的La0.3Sr1.7AlTaO6(111)作为衬底，能够有效的减少热应力，减少位错的形成，有利于高质量GaN薄膜的生长，制备得到的GaN基光电材料器件的载流子辐射复合效率高，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发光效率。
（4）本实用新型的生长工艺独特而简单易行，具有可重复性。
附图说明
图1为实施例1制备的GaN薄膜的截面示意图。
图2为实施例1制备的GaN薄膜（GaN(0002)）的高分辨X射线衍射（HRXRD）图谱。
图3为实施例1制备的GaN薄膜（GaN(10-12)）的高分辨X射线衍射（HRXRD）图谱。
图4为实施例1制备的GaN薄膜的扫描电镜（SEM）图谱。
图5为实施例1制备的GaN薄膜的透射电镜（TEM）图谱。
图6为实施例1制备的GaN薄膜低温下的光致发光（PL）图谱。
具体实施方式
下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
生长在铝酸锶钽镧衬底上的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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，以(111)面偏(100)方向0.5°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面。
（2）衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入退火室内，在800℃下空气氛围中对La0.3Sr1.7AlTaO6衬底进行退火处理3小时然后空冷至室温；
所述衬底表面抛光，具体为：
首先将La0.3Sr1.7AlTaO6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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底放入去离子水中室温下超声清洗3分钟，去除La0.3Sr1.7AlTaO6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，用高纯干燥氮气吹干。
（3）GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为450℃，在反应室的压力为6.0×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ值为50、生长速度为0.4ML/s的条件下生长厚度为50nm的GaN缓冲层。
（4）GaN薄膜的外延生长：采用分子束外延生长工艺，将衬底保持在500～600℃，在反应室的压力为4.0×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ值为30、生长速度为0.6ML/s条件下，在步骤（3）得到的GaN缓冲层上生长厚度为100nm的GaN薄膜。
如图1所示，本实施例制备的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜，包括生长在La0.3Sr1.7AlTaO6衬底11上的GaN缓冲层12，生长在GaN缓冲层12上的GaN薄膜13。
图2～3是本实施例制备的GaN薄膜的HRXRD图谱，从X射线回摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于198arcsec，GaN(10-12)的半峰宽值为253arcsec；表明在La0.3Sr1.7AlTaO6(111)衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。
图4是本实施例制备的GaN薄膜的扫描电镜（SEM）图谱，可以看到GaN薄膜表面光滑且平整，表明外延生长得到的GaN已经进入二维横向生长。
图5是本实施例制备的GaN薄膜的应用透射电镜（TEM）图谱，可知GaN薄膜中位错密度低于2×108cm-2，可知我们制备出了低缺陷。
图6为本实施例制备的高质量GaN薄低温下PL图谱，表明GaN的光致发光发射在3.37eV，半峰宽达到30meV，无论是电学性质还是在光学性质上，都具有非常好的性能，优于目前已经报道的应用传统衬底获得的GaN薄膜的相关结果。
将本实施例制备的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜用于制备LED：在本实施例制备的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜上依次外延生长Si掺杂的n型掺硅GaN、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。在铝酸锶钽镧衬底上制备得到的GaN基LED器件，其n型GaN的厚度约为5μm，其载流子的浓度为1×1019cm-3；InxGa1-xN/GaN多量子阱层的厚度约为160nm,周期数为10，其中InxGa1-xN阱层为3nm，GaN垒层为13nm，p型掺镁的GaN层厚度约为300nm，其载流子的浓度为3×1017cm-3。在20mA的工作电流下，LED器件的光输出功率为4.3mW，开启电压值为3.18V。
将本实施例制备的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜用于制备光电探测器：在本实施例制备的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜上依次外延生长n型掺硅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型掺硅GaN厚度约为3μm,其载流子的浓度为1×1019cm-3；非掺杂GaN厚度约为200nm,其载流子浓度为2.2×1016cm-3；p型掺镁的GaN度约为1.5μm。本实施例所制备的光电探测器在1V偏压下,暗电流仅为65pA,并且器件在1V偏压下，在361nm处响应度的最大值达到了0.92A/W。
将本实施例制备的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜用于制备InGaN太阳能电池：在本实施例制备的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜上依次生长具有成分梯度的InxGa1-xN缓冲层，n型掺硅InxGa1-xN,InxGa1-xN多量子阱层，p型掺镁的InxGa1-xN层，最后电子束蒸发形成欧姆接触，其中0<x≤0.2。其中，n型掺硅InxGa1-xN厚度约为5μm,其载流子的浓度为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阱层为3nm，In0.08Ga0.92N垒层为10nm。本工艺制备得到的太阳能电池室温下的光电转化效率为9.1%，短路光电流密度为35mA/cm2。
实施例2
生长在铝酸锶钽镧衬底上的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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底，以(111)面偏(100)方向1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6的(111)面。
（2）衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放放入退火室内，在900℃下空气氛围中对La0.3Sr1.7AlTaO6衬底进行退火处理5小时然后空冷至室温；
所述衬底表面抛光，具体为：
首先将La0.3Sr1.7AlTaO6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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除La0.3Sr1.7AlTaO6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，用高纯干燥氮气吹干。
（3）GaN缓冲层外延生长：衬底温度调为550℃，在反应室的压力为7.2×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ值为60、生长速度0.6ML/s的条件下生长厚度为80nm的GaN缓冲层。
（4）GaN薄膜的外延生长：采用分子束外延生长工艺，将衬底保持在500～600℃，在反应室的压力为5.0×10-5Pa、Ⅴ/Ⅲ值为40、生长速度为0.8ML/s条件下，在步骤（3）得到的GaN缓冲层上生长300nm GaN薄膜。
本实施例制备的铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜具有非常好的光学性能，测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括生长在La0.3Sr1.7AlTaO6衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。
2.根据权利要求1所述的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述La0.3Sr1.7AlTaO6衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面。
3.根据权利要求1所述的生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为50～80nm；所述GaN薄膜的厚度为100～300nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013203127255U CN203339168U (zh) | 2013-05-31 | 2013-05-31 | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013203127255U CN203339168U (zh) | 2013-05-31 | 2013-05-31 | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN203339168U true CN203339168U (zh) | 2013-12-11 |
Family
ID=49707829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2013203127255U Expired - Fee Related CN203339168U (zh) | 2013-05-31 | 2013-05-31 | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN203339168U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103296066A (zh) * | 2013-05-31 | 2013-09-11 | 华南理工大学 | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用 |
-
2013
- 2013-05-31 CN CN2013203127255U patent/CN203339168U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103296066A (zh) * | 2013-05-31 | 2013-09-11 | 华南理工大学 | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103296066B (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜及其制备方法、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 | |
| CN102945899B (zh) | 生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜及其制备方法、应用 | |
| CN102544276A (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜及其制备方法、应用 | |
| CN103296158B (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的掺杂GaN薄膜及其制备方法 | |
| CN103996764A (zh) | 生长在Ag衬底的LED外延片及其制备方法和应用 | |
| CN203950831U (zh) | 生长在Cu衬底的LED外延片 | |
| CN103296157B (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的led外延片及制备方法 | |
| CN203085627U (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性蓝光LED外延片 | |
| CN103996611A (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 | |
| CN203339207U (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的led外延片 | |
| CN103296159B (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN多量子阱及制备方法 | |
| CN203339168U (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN薄膜 | |
| CN202454605U (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜 | |
| CN203339209U (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的掺杂GaN薄膜 | |
| CN203339206U (zh) | 生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN多量子阱 | |
| CN103031595A (zh) | 生长在LiGaO2衬底上的非极性掺杂GaN薄膜及其制备方法 | |
| CN204204895U (zh) | 生长在Cu衬底的GaN薄膜 | |
| CN206422089U (zh) | 生长在玻璃衬底上的GaN薄膜 | |
| CN204067412U (zh) | 生长在W衬底上的AlN薄膜 | |
| CN204067413U (zh) | 生长在W衬底上的InGaN/GaN多量子阱 | |
| CN203983319U (zh) | 生长在w衬底上的led外延片 | |
| CN103996758A (zh) | 生长在Cu衬底的LED外延片及其制备方法和应用 | |
| CN203895486U (zh) | 生长在Ag衬底上的LED外延片 | |
| CN203983321U (zh) | 生长在Zr衬底上的LED外延片 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131211 Termination date: 20190531 |