CN204067411U - 生长在W衬底上的GaN薄膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了生长在W衬底上的GaN薄膜，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜；所述AlN缓冲层为在400～500℃生长的AlN缓冲层；所述GaN薄膜为在700～800℃生长的GaN薄膜。本实用新型制备的生长在W衬底上的GaN薄膜，具有位错密度低、晶体质量好的优点。

Description

生长在W衬底上的GaN薄膜

技术领域

本实用新型涉及GaN薄膜，特别涉及一种生长在W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，一个主要原因是其蓝宝石衬底与外延层失配大、热导率差。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^-6/K)较GaN的热膨胀系数(5.6×10^-6/K)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0.25W/cmK)，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。此外，由于蓝宝石是绝缘体，不能制作垂直结构半导体器件。因此电流在器件中存在横向流动，导致电流分布不均匀，产生较多热量,很大程度上影响了GaN基LED器件的电学和光学性质。

因此迫切需要寻找一种热导率高、可以快速地将LED结区的热量传递出来的材料作为衬底。而金属W作为外延氮化物的衬底材料，具有三大其独特的优势。第一，金属W有很高的热导率，W的热导率为1.74W/cmK，可以将LED芯片内产生的热量及时的传导出，降低器件结区温度，一方面提高器件的内量子效率，另一方面有助于解决器件散热问题。第二，金属W可以作为生长GaN基垂直结构的LED器件的衬底材料，可直接在衬底上镀阴极材料，P-GaN上镀阳极材料，使得电流几乎全部垂直流过GaN-基的外延层，因而电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，电流产生的热量减小，对器件的散热有利；另外，可以将阴极材料直接镀在金属衬底上，不需要通过腐蚀P-GaN层和有源层将电极连在N-GaN层，这样充分利用了有源层的材料。第三，金属W衬底材料相对其他衬底，价格更便宜，可以极大地降低器件的制造成本。正因为上述诸多优势，金属衬底现已被尝试用作III族氮化物外延生长的衬底材料。

但是金属W衬底在高温下化学性质不稳定，当外延温度高于600℃的时候，外延氮化物会与金属衬底之间发生界面反应，严重影响了外延薄膜生长的质量。III族氮化物外延生长的先驱研究者、著名科学家Akasaki等人就曾尝试应用传统的MOCVD或者MBE技术直接在化学性质多变的衬底材料上外延生长氮化物，结果发现薄膜在高温下外延相当困难。

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W衬底上的GaN薄膜，具有位错密度低、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W衬底上的GaN薄膜，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜；所述AlN缓冲层为在400～500℃生长的AlN缓冲层；所述GaN薄膜为在700～800℃生长的GaN薄膜。

所述W衬底以(110)面为外延面。

所述AlN缓冲层的厚度为80～100nm。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型使用了金属W作为衬底，生长AlN缓冲层可以减小衬底与GaN外延层之间的晶格失配度，有利于沉积高质量低缺陷的GaN薄膜，有望极大的提高了LED的发光效率。

(2)本实用新型使用了W作为衬底，W衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。

(3)本实用新型采用的脉冲激光沉积工艺，由于产生的前驱物具有很高的动能，可有效缩短氮化物的形核时间，保证所获得的单一性优异的GaN薄膜。

(4)本实用新型制备出了高质量的GaN薄膜，可以作为生长GaN基垂直结构的LED器件的衬底材料，使得电流几乎全部垂直流过GaN-基的外延层，因而电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，电流产生的热量减小，对器件的散热有利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。

(5)本实用新型制备采用热导率较高的金属W作为衬底，能够迅速地将器件内的热量传导出来，一方面提高器件的内量子效率，另一方面助于解决器件散热问题，有利于提高LED器件的寿命。

(6)本实用新型采用了低温外延技术在W衬底上先生长一层低温(400～500℃)AlN缓冲层。在低温下能保证W衬底的稳定性，减少W离子的挥发造成的晶格失配和剧烈界面反应，从而为下一步的高质量外延层打下良好基础。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1制备的生长在W衬底上的GaN薄膜的XRD图谱。

图2为本实用新型的实施例1制备的生长在W衬底上的GaN薄膜的高能电子衍射(RHEED)图谱。

图3为本实用新型的实施例1制备的生长在W衬底上的GaN薄膜的截面示意图。

图4为本实用新型的实施例1制备的LED器件的结构截面示意图。

图5为本实用新型的实施例1制备的光电探测器结构的截面示意图。

图6为本实用新型的实施例1制备的InGaN太阳能电池器件结构的截面示意图。

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

本实施例的生长在W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：外延衬底采用W衬底的(0001)面为外延面，选择的晶体外延取向关系：GaN(0001)//W(0001)。

(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W放在压强为2×10^-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在900℃下高温烘烤1h，然后空冷至400℃。

所述衬底表面抛光，具体为：

首先将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W衬底放入去离子水中室温下超声清洗3分钟，去除W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)AlN缓冲层的外延生长：将衬底温度降至450℃，反应室压力为1×10^-5Torr、Ⅴ/Ⅲ比为50、生长速度为0.6ML/s；用能量为1.3J/cm²以及重复频率为30Hz的KrF准分子激光(λ＝248nm，t＝20ns)PLD烧蚀AlN靶材(99.99wt％)，外延生长厚度为100nm的AlN缓冲层。

(4)高质量GaN薄膜外延生长：将衬底温度升至700℃，在反应室压力3×10^-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度0.8ML/s条件下，生长GaN薄膜。可根据所制备器件的实际要求，生长相应厚度的GaN薄膜。采用靶材Ga(99.9999％)和射频等离子体自由基发生器作为镓源和氮源在AlN薄膜上反应生成厚度为150nm的GaN薄膜。本实施例制备的GaN薄膜的XRD图谱见图1，从X射线回摆曲线中可以看到，GaN的半峰宽(FWHM)值低于1.0°；表明在W(110)面上外延生长出了高质量的GaN薄膜。实施例制备的GaN薄膜的反射高能电子衍射(RHEED)图谱如图2所示，图中表明当GaN的厚度达到10nm时，RHEED图谱从斑点状图样的转变为条状图样，说明在AlN缓冲层上长出了高结晶度和平整的表面的GaN薄膜。

如图3所示，本实施例制备的生长在W衬底上的GaN薄膜的截面示意图，包括W衬底11，生长在W衬底11上的AlN缓冲层12，生长在AlN缓冲层12上的GaN薄膜13。

将本实施例制备的生长在W衬底上的GaN薄膜用于制备LED：在本实施例制备的生长在W上的高质量GaN薄膜上继续外延生长并制备GaN基LED器件(其结构截面示意图如图4所示)，其中由下至上依次包括W衬底11、AlN缓冲层12、GaN薄膜13、n型掺硅GaN外延层14、In_xGa_1-xN多量子阱层15、p型掺镁的GaN层16。其制备过程如下：在GaN薄膜生长n型GaN外延层，厚度约为5μm，其载流子的浓度为1×10¹⁹cm^-3。接着生长In_xGa_1-xN多量子阱层，厚度约为100nm，周期数为7，其中In_xGa_1-xN阱层为3nm，垒层为10nm。之后再生长Mg掺杂的p型GaN层，厚度约为150nm。其载流子浓度为2×10¹⁶cm^-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在N₂气氛下退火，提高了p型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。所制备的p-i-n结构的GaN基LED器件。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W衬底上的GaN薄膜用于光电探测器：在本实施例制备的生长在W晶面上的高质量GaN薄膜上继续外延生长并制备了光电探测器(其结构截面示意图如图5所示)，其中由下至上依次包括W衬底11、AlN缓冲层12、GaN薄膜13、n型掺硅GaN24、非掺杂GaN25、p型掺镁的GaN层26。其制备过程如下：在GaN薄膜上生长n型GaN外延层，厚度约为3μm，其载流子的浓度为1×10¹⁹cm^-3。接着生长本征GaN外延层，厚度约为200nm，其载流子浓度为2.2×10¹⁶cm^-3。之后再生长Mg掺杂的p型GaN层，厚度约为1.5μm。最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。在此基础上通过在N₂气氛下退火，提高了p型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。所制备的p-i-n结构的GaN紫外光电探测器在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W衬底上的GaN薄膜用于太阳能电池器件：在本实施例制备的生长在W晶面上的高质量GaN薄膜上继续外延生长并制备了InGaN太阳能电池器件(其结构截面示意图如图6所示)，其中由下至上依次包括W衬底11、AlN缓冲层12、GaN薄膜13、具有成分梯度的In_xGa_1-xN缓冲层34、n型掺硅In_xGa_1-xN35、In_xGa_1-xN多量子阱层36、p型掺镁的In_xGa_1-xN层37。其制备过程如下：在GaN薄膜上生长具有成分梯度的In_xGa_1-xN缓冲层，x的值可以在0～0.2之间可调，然后生长n型掺硅In_xGa_1-xN,外延层的厚度约为5μm,其载流子的浓度为1×10¹⁹cm^-3。接着生长In_xGa_1-xN多量子阱层,厚度约为300nm,周期数为20，其中In_0.2Ga_0.8N阱层为3nm，In_0.08Ga_0.92N垒层为10nm。再生长Mg掺杂的p型In_xGa_1-xN层，厚度约为200nm，其载流子浓度为2×10¹⁶cm^-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在N2气氛下退火，提高了p型InGaN薄膜的载流子浓度和迁移率。所制备的InGaN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

本实施例的生长在W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W衬底的(110)面为外延面，晶体外延取向关系：AlN[11-20]//W[001]；

(2)对衬底进行表面抛光、清洗以及退火处理；

所述表面抛光，具体为：

将W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W衬底放入去离子水中室温下超声清洗3分钟，去除W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；

所述退火，具体为：

将W衬底放在压强为2×10^-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在850℃下高温烘烤1h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至500℃。

(3)AlN缓冲层的外延生长：温度为400～500℃、反应室压力为1×10^-5Torr、Ⅴ/Ⅲ比为50、生长速度为0.4ML/s；用能量为1.3J/cm²以及重复频率为30Hz的KrF准分子激光(λ＝248nm，t＝20ns)PLD烧蚀AlN靶材(99.99wt％)，在W衬底上生长AlN缓冲层；

(4)GaN薄膜的外延生长：衬底温度为700℃，在反应室压力为3×10^-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值40、生长速度0.8ML/s条件下，生长GaN薄膜。

本实施例制备的生长在W衬底上的GaN薄膜包括W衬底11，生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜，测试结果与实施例1类似。

实施例3

本实施例的生长在W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W衬底的(110)面为外延面，晶体外延取向关系：AlN[11-20]//W[001]；

(2)对衬底进行表面抛光、清洗以及退火处理；

所述表面抛光，具体为：

将W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W衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除W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；

所述退火，具体为：

将W衬底放在压强为2×10^-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在950℃下高温烘烤h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至500℃。

(3)AlN缓冲层的外延生长：温度为500℃、反应室压力为3×10^-5Torr、Ⅴ/Ⅲ比为60、生长速度为0.6ML/s；用能量为1.3J/cm²以及重复频率为30Hz的KrF准分子激光(λ＝248nm，t＝20ns)PLD烧蚀AlN靶材(99.99wt％)，在W衬底上生长AlN缓冲层；

(4)GaN薄膜的外延生长：衬底温度为800℃，在反应室压力为4×10^-5Torr、Ⅴ/Ⅲ值60、生长速度1.0ML/s条件下，生长GaN薄膜。

本实施例制备的生长在W衬底上的GaN薄膜包括W衬底，生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜，测试结果与实施例1类似。

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W衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜；所述AlN缓冲层为在400～500℃生长的AlN缓冲层；所述GaN薄膜为在700～800℃生长的GaN薄膜。

2.根据权利要求1所述的生长在W衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述W衬底以(110)面为外延面。

3.根据权利要求1所述的生长在W衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为80～100nm。