CN213816181U - 一种Si衬底的GaN薄膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种Si衬底的GaN薄膜，所述Si衬底的GaN薄膜包括：生长在Si衬底上的基础AlN层、生长在所述基础AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的Si_xN_y层、生长在所述Si_xN_y层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的低温GaN层、生长在所述低温GaN层上的高温GaN层。本实用新型实施例在缓冲层结构中插入Si_xN_y层，有利于缓解外延层生长过程中产生的应力，并且该层能够有效的钉扎位错，最终能够有效缓解薄膜中缺陷密度，从而实现高晶体质量GaN薄膜生长；本实用新型使用Si作为衬底，衬底容易获得，有利于降低生产成本。

Description

一种Si衬底的GaN薄膜

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种Si衬底的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。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，是制造高效的半导体器件，如LED器件的理想材料。目前，GaN基蓝光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。此外，深紫外光LED在国防技术、信息科技、生物制药、环境监测、公共卫生、杀菌消毒等领域具有广大的应用前景。

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，同时降低LED芯片的价格。虽然蓝/白光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。如AlGaN基深紫外LED的发展已经取得了一些进展，但其外量子效率低和发光功率低等性能问题仍阻碍着其商业化。高质量的外延材料是制备高性能GaN基LED的基础。目前大多数GaN基LED都是基于蓝宝石和SiC衬底上进行外延生长，大尺寸的蓝宝石和SiC衬底价格昂贵，导致LED制造成本高。因此迫切寻找一种价格低廉的衬底材料、以及更加有效的缓冲层结构应用于外延生长高质量的GaN薄膜。

实用新型内容

本实用新型的目的是一种Si衬底的GaN薄膜，旨在解决现有技术中GaN薄膜生长成本高、性能有待提高的问题。

本实用新型实施例提供一种Si衬底的GaN薄膜，其包括：生长在Si衬底上的基础AlN层、生长在所述基础AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的Si_xN_y层、生长在所述Si_xN_y层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的低温GaN层、生长在所述低温GaN层上的高温GaN层。

优选的，所述基础AlN层的厚度为100～500nm。

优选的，所述基础AlN层的厚度为200～400nm。

优选的，所述第一AlGaN层的厚度为100～500nm。

优选的，所述第一AlGaN层的厚度为200～300nm。

优选的，所述Si_xN_y层的厚度为2～10nm。

优选的，所述第二AlGaN层的厚度为100～500nm。

优选的，所述低温GaN层的厚度为100～500nm。

优选的，所述高温GaN层的厚度为1～3μm。

优选的，所述Si_xN_y层的厚度为4～6nm。

本实用新型实施例提供了一种Si衬底的GaN薄膜，所述Si衬底的GaN薄膜包括：生长在Si衬底上的基础AlN层、生长在所述基础AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的Si_xN_y层、生长在所述Si_xN_y层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的低温GaN层、生长在所述低温GaN层上的高温GaN层。本实用新型实施例在缓冲层结构中插入Si_xN_y层，有利于缓解外延层生长过程中产生的应力，并且该层能够有效的钉扎位错，最终能够有效缓解薄膜中缺陷密度，从而实现高晶体质量GaN薄膜生长；本实用新型使用Si作为衬底，衬底容易获得，有利于降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的Si衬底的GaN薄膜的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的Si衬底的GaN薄膜的制备方法的流程示意图；

图3为本实用新型实施例制备的Si衬底的GaN薄膜的XRD图谱；

图4为本实用新型又一实施例制备的Si衬底的GaN薄膜的XRD图谱。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本实用新型实施例提供一种Si衬底的GaN薄膜，如图1所示，其包括：生长在Si衬底101上的基础AlN层102、生长在所述基础AlN层102上的第一AlGaN层103、生长在所述第一AlGaN层103上的Si_xN_y层104、生长在所述Si_xN_y层104上的第二AlGaN层105、生长在所述第二AlGaN层105上的低温GaN层106、生长在所述低温GaN层106上的高温GaN层107。

本实用新型实施例在缓冲层结构中插入Si_xN_y层104，有利于缓解外延层生长过程中产生的应力，并且该层能够有效的钉扎位错，最终能够有效缓解薄膜中缺陷密度，从而实现高晶体质量GaN薄膜生长；本实用新型使用Si作为衬底，衬底容易获得，有利于降低生产成本。

在一实施例中，所述基础AlN层102的厚度为100～500nm。更优选的，所述基础AlN层102的厚度为200～400nm，如300nm。所述基础AlN层102是为了阻止后续生长含有Ga组分材料时，Ga和Si在高温下发生回熔刻蚀反应，导致后续生长失败。

在一实施例中，所述第一AlGaN层103的厚度为100～500nm。更优选的，所述第一AlGaN层103的厚度为200～300nm，如250nm。所述第一AlGaN层103的晶格参数处于AlN和GaN之间，能够起到降低晶格失配、释放应力的作用，所述第一AlGaN层103为高Al含量，Al的组分含量为≥50％，也即第一AlGaN层103为Al_xGa_1-xN，其中x≥0.5。

在一实施例中，所述Si_xN_y层104的厚度为2～10nm。优选的，所述Si_xN_y层104的厚度为4～6nm，如5nm。由于基础AlN层102和第一AlGaN层103都含有大量的缺陷密度，直接继续生长GaN，所生长的GaN晶体质量比较差，因此需要插入一个大失配缓冲层Si_xN_y，释放由于晶体失配所产生的应力。所述Si_xN_y层104为大失配缓冲层，这种大失配缓冲层一般为非晶态，通常具有大量的空位缺陷，位错在这一层材料中容易成核。同时，空位缺陷能够促进位错在该缓冲层内滑移，阻止位错穿透至后续的外延层。因此这层大失配缓冲层能够起到应力释放的作用。这里生长的Si_xN_y层104是非晶态的材料，任何比例都有可能出现，所以x和y没有固定比例。

在一实施例中，所述第二AlGaN层105的厚度为100～500nm，如250nm。所述第二AlGaN层105作为缓冲层，起到降低晶格失配、释放应力的作用，第二AlGaN层105为低Al含量，Al的组分含量为≤10％，也即第二AlGaN层105为Al_xGa_1-xN，其中x≤0.1。

在一实施例中，所述低温GaN层106的厚度为100～500nm，如300nm。所述低温GaN层106为低温生长，含有大量的位错和缺陷，该层为后续高晶体质量高温GaN层107的生长提供底层基础。

在一实施例中，所述高温GaN层107的厚度为1～3μm，如2μm。

本实用新型实施例还提供一种如上所述的Si衬底的GaN薄膜的制备方法，如图2所示，其包括步骤S201～S207：

S201、选取Si衬底；

S202、在所述Si衬底上生长基础AlN层；

S203、在所述基础AlN层上生长第一AlGaN层；

S204、在所述第一AlGaN层上生长Si_xN_y层；

S205、在所述Si_xN_y层上生长第二AlGaN层；

S206、在所述第二AlGaN层上生长低温GaN层；

S207、在所述低温GaN层上生长高温GaN层。

优选地，在所述基础AlN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述Si衬底上生长基础AlN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h；

优选地，在所述第一AlGaN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述基础AlN层上生长第一AlGaN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h；

优选地，在所述Si_xN_y层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述第一AlGaN层上生长Si_xN_y层，工艺条件为：硅烷为Si源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h；

优选地，在所述第二AlGaN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述Si_xN_y层上生长第二AlGaN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h；

优选地，在所述低温GaN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述第二AlGaN层上生长低温GaN层，工艺条件为：三甲基镓为Ga源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为900～1000℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h；

优选地，在所述高温GaN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述低温GaN层上生长高温GaN层，工艺条件为：三甲基镓为Ga源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。

将本实用新型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GaN、In_xGa_1-xN多量子阱层、Mg掺杂的p型GaN层，最后电子束蒸发金属电极并退火形成欧姆接触。在Si衬底上制备得到的GaN基LED器件，其n型GaN的厚度约为1μm，其载流子的浓度为4×10¹⁸cm^-3；In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层的厚度约为130nm,周期数为10，其中In_xGa_1-xN阱层为3nm，GaN垒层为10nm，p型掺镁的GaN层厚度约为150nm，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4.02mW，开启电压值为3V。而在另一实施例中，在20mA的工作电流下，所制备的LED器件的光输出功率为3.5mW，开启电压值为3.1V。

图3是本实用新型实施例制备的GaN薄膜(0002，晶面)的XRD图谱，图4是本实用新型实施例制备的GaN薄膜(10-12，晶面)的XRD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230arcsec，GaN(10-12)的半峰宽值为250arcsec；表明在Si衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。

本实用新型实施例，在缓冲层结构中插入非晶态的Si_xN_y大失配缓冲层(即Si_xN_y层)，有利于缓解外延层生长过程中产生的应力，并且非晶态缓冲层能够有效的钉扎位错，最终能够有效缓解薄膜中缺陷密度，从而实现高晶体质量GaN薄膜生长；本实用新型能有效的减少位错的形成，制备出高质量GaN薄膜，有利于提高载流子的辐射复合效率，降低非辐射复合效率，可大幅度提高氮化物半导体器件如半导体激光器、光电探测器、发光二极管及太阳能电池的性能；本实用新型使用Si作为衬底，衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本；本实用新型的生长工艺独特而简单易行，具有可重复性；本实用新型可获得高质量且界面光滑的外延层薄膜，进而制备高性能、发光效率高的GaN基光电器件，此法简单易行、效果显著、价格低廉。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，包括：生长在Si衬底上的基础AlN层、生长在所述基础AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的Si_xN_y层、生长在所述Si_xN_y层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的低温GaN层、生长在所述低温GaN层上的高温GaN层。

2.根据权利要求1所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述基础AlN层的厚度为100～500nm。

3.根据权利要求2所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述基础AlN层的厚度为200～400nm。

4.根据权利要求1所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述第一AlGaN层的厚度为100～500nm。

5.根据权利要求4所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述第一AlGaN层的厚度为200～300nm。

6.根据权利要求1所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述Si_xN_y层的厚度为2～10nm。

7.根据权利要求1所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述第二AlGaN层的厚度为100～500nm。

8.根据权利要求1所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述低温GaN层的厚度为100～500nm。

9.根据权利要求1所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述高温GaN层的厚度为1～3μm。

10.根据权利要求6所述的Si衬底的GaN薄膜，其特征在于，所述Si_xN_y层的厚度为4～6nm。

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