在鎵酸鋰襯底上外延生長的非極性GaN薄膜的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種在鎵酸鋰襯底上外延生長的非極性GaN薄膜，它包括LiGaO2襯底,依次生長在LiGaO2襯底上的GaN緩沖層、GaN薄膜；所述LiGaO2襯底以(100)面偏(110)方向0.2-1°為外延面。本實用新型的GaN薄膜具有缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好等特點，可廣泛應(yīng)用于LED、LD、太陽能電池等領(lǐng)域。
【專利說明】在鎵酸鋰襯底上外延生長的非極性GaN薄膜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及在鎵酸鋰襯底上外延生長的非極性GaN薄膜，具體用于制造薄膜外延及薄膜器件，特別是量子阱結(jié)構(gòu)太陽能電池、發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光電探測器。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)作為一種新型固體照明光源和綠色光源，具有體積小、耗電量低、環(huán)保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點，在室外照明、商業(yè)照明以及裝飾工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在全球氣候變暖和能源枯竭問題日趨嚴(yán)峻的背景下，節(jié)約能源、減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題。以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟，將成為經(jīng)濟發(fā)展的重要方向。在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀(jì)將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是現(xiàn)階段LED的應(yīng)用成本較高，發(fā)光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。
[0003]LED芯片的發(fā)光效率不夠高是限制LED發(fā)展的一個關(guān)鍵問題，其主要原因是由于目前廣泛使用的GaN基LED都是沿極性c軸生長的。c軸方向上，Ga原子集合和N原子集合的質(zhì)心不重合，從而形成電偶極子，產(chǎn)生自發(fā)極化場和壓電極化場，進而引起量子束縛斯塔克效應(yīng)(Quantum-confined Starker Effect，QCSE)，使電子和空穴分離，載流子的福射復(fù)合效率降低，最終影響LED的發(fā)光效率，并造成LED發(fā)光波長的不穩(wěn)定。解決這一問題最好的辦法是采用非極性GaN材料制作LED，以消除量子束縛斯塔克效應(yīng)的影響。理論研宄表明，使用非極性GaN來制造LED，將可使LED發(fā)光效率提高近一倍。
[0004]由此可見，要使LED真正實現(xiàn)大規(guī)模廣泛應(yīng)用，提高LED芯片的發(fā)光效率，并降低其制造成本，最根本的辦法就是在與GaN匹配(包括晶格匹配和熱膨脹系數(shù)匹配)的新型襯底上研發(fā)非極性GaN基LED外延芯片。目前，制備非極性GaN薄膜的新型襯底的代表主要有LiGa02、LiAlO2等。與傳統(tǒng)的LED襯底藍寶石相比，新型襯底不但晶格失陪小，而且熱膨脹系數(shù)差異相近。以LiGaO2襯底為例。LiGaO 2襯底與GaN在b、c軸方向上的晶格失陪分別為0.1 %和4.0%，熱膨脹系數(shù)很接近(LiGaO2襯底的熱膨脹系數(shù)分別為4.0X 10
和3.8X KT6KlGaN對應(yīng)的熱膨脹系數(shù)分別為5.59X ΙΟΙ1和3.17X10 H。然而，由于Li離子的平衡蒸汽壓較低，容易從襯底中溢出，特別是在較高的溫度下(700°C以上)會導(dǎo)致襯底表面發(fā)生相變，形成富Li相。與此同時，在高溫條件下，新型襯底與GaN的界面反應(yīng)嚴(yán)重。這將嚴(yán)重影響GaN薄膜的生長和最終的晶體質(zhì)量。傳統(tǒng)的金屬有機物氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)鍍膜技術(shù)外延GaN薄膜的溫度都在800°C以上，界面反應(yīng)嚴(yán)重，難以滿足在LiGa02、LiAlO2等易高溫相變的新型襯底上外延非極性GaN薄膜的需要。
[0005]脈沖激光沉積(PLD)克服了 M0CVD、MBE的不足和存在的問題。它的主要優(yōu)點有以下幾個方面:(I)激光能量密度高，可以蒸鍍各種難以熔化的靶材，實現(xiàn)薄膜的低溫外延生長，有效抑制界面反應(yīng)；(2)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)方便，且沉積速率高，實驗周期短；(3)發(fā)展?jié)摿Υ螅哂辛己玫募嫒菪裕?4)薄膜成分穩(wěn)定，易于獲得期望的化學(xué)計量比；(5)可以同時放置多個靶材(4-6個)，有利于制備成分復(fù)雜的多層薄膜；(6)清潔處理十分方便，可以制備不同類型的薄膜。然而，任何事物都存在兩面性。PLD的主要缺點就是沉積速率高，難以制備高品質(zhì)的量子阱。事實上，量子阱結(jié)構(gòu)LED已經(jīng)成為未來LED的主要發(fā)展趨勢之一。PLD的這一缺點，嚴(yán)重限制了它的推廣和應(yīng)用范圍。
實用新型內(nèi)容
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種在鎵酸鋰襯底上外延生長的非極性GaN薄膜，GaN薄膜具有缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好等特點，可廣泛應(yīng)用于LED、LD、太陽能電池等領(lǐng)域。
[0007]實現(xiàn)本實用新型的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到:
[0008]在鎵酸鋰襯底上外延生長的非極性GaN薄膜，其特征在于，它包括LiGaO2襯底，依次生長在LiGaOji底上的GaN緩沖層、GaN薄膜；所述LiGaO 2襯底以(100)面偏(110)方向0.2-1°為外延面。
[0009]優(yōu)選地，所述GaN緩沖層的厚度為30_50nm ;所述GaN薄膜的厚度為100_300nm。
[0010]本實用新型的有益效果在于:
[0011]本實用新型首先使用PLD在襯底上低溫外延一層高質(zhì)量的GaN緩沖層，抑制Li離子擴散；然后使用MBE外延u-GaN、p-GaN、量子阱等。本實用新型有利于制備高質(zhì)量的非極性GaN薄膜，具有缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好等特點，可廣泛應(yīng)用于LED、LD、太陽能電池等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為鍍膜設(shè)備的原理示意圖。
[0013]圖2為實施例1制備的非極性GaN薄膜的剖面示意圖。
[0014]圖3為實施例1制備的GaN薄膜的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜。

【具體實施方式】
[0015]下面，結(jié)合【具體實施方式】，對本實用新型做進一步描述:
[0016]實施例1
[0017]如圖2所示，本實施例的生長在鎵酸鋰襯底上的非極性GaN薄膜，它包括LiGaO2襯底21，依次生長在LiGaOji底上的GaN緩沖層22、GaN薄膜23 ;所述LiGaO 2襯底21以(100)面偏(110)方向0.2-1°為外延面。
[0018]生長在鎵酸鋰襯底上的非極性GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0019]I)襯底以及其晶向的選取:采用LiGaO2襯底，以(100)面偏(110)方向0.2。為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:GaN的(1-100)面平行于LiGaO^ (100)面。
[0020]2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理，所述退火的具體過程為:將襯底放入退火室內(nèi)，在900 °C下空氣氛圍中對LiGaO2襯底進行退火處理4小時然后空冷至室溫；
[0021 ] 所述襯底表面拋光，具體為:首先將LiGaO2襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理。
[0022]所述清洗，具體為:將LiGaOjf底放入去離子水中室溫下超聲清洗3分鐘，去除LiGaO2襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干。
[0023]3)使用PLD工藝低溫外延非極性GaN緩沖層:采用PLD生長工藝，襯底溫度控制在150°C，襯底轉(zhuǎn)速為10r/min，靶基距為5cm，激光波長為248nm，激光能量為250mJ/p，頻率20Hz，氮的等離子體流量為4sCCm，RF活化功率為400W，使用高能激光蒸發(fā)7N的金屬Ga靶，在襯底上生長厚度為200nm的GaN緩沖層。
[0024]4)使用MBE工藝外延GaN薄膜:采用MBE生長工藝，將襯底溫度控制在700°C，自傳速率為5r/min，Ga的蒸發(fā)溫度為920°C，氮的等離子體流量為0.5sccm, RF活化功率為350W，在步驟3)得到的GaN緩沖層上生長厚度為400nm的GaN薄膜。
[0025]如圖1所示，本實施例的所述鍍膜方法在脈沖激光沉積與分子束外延聯(lián)用鍍膜設(shè)備中完成；脈沖激光沉積與分子束外延聯(lián)用鍍膜設(shè)備，其包括生長室腔體I ;在生長室腔體I下方的中心位置設(shè)有一個基座2，在基座2上設(shè)有1-6個均勻布置的用于放置靶材的轉(zhuǎn)盤3，所述基座2及轉(zhuǎn)盤3分別由驅(qū)動機構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)，使得靶材即能隨基座2公轉(zhuǎn)又能隨轉(zhuǎn)盤3自轉(zhuǎn)；在生長室腔體I的下側(cè)壁上還設(shè)有若干個均勻分布的MBE蒸發(fā)源4 ;在生長室腔體I的下側(cè)壁或底壁上還設(shè)有分別與機械泵5和分子泵6連接的閥門，以便機械泵5和分子泵6對生長室抽真空；在生長室腔體I的中下方的位置設(shè)有輔助氣體管道7及RF附件，用于在鍍膜過程中及時補充O或N的等離子體；在生長室腔體I的中上方的位置設(shè)有反射高能電子衍射儀(RHEED) ；RHEED由高能電子槍和熒光屏兩部分組成，用于實時監(jiān)控薄膜的生長；在生長室腔體I的上側(cè)壁或頂壁上設(shè)有一個石英窗口 8，在生長室腔體I旁邊對應(yīng)石英窗口 8的位置設(shè)有高能固體激光器9，由高能固體激光器9提供150-355nm的高能激光透過石英窗口 8照射入生長室腔體4的內(nèi)部；在生長室腔體I上方的中央位置安裝有激光測距儀10、步進電機11以及安裝于步進電機11的輸出軸上的用于固定襯底14的襯底架12，在襯底架12上還設(shè)有紅外線加熱器13 ;激光測距儀10的信號輸出端與步進電機11的信號輸入端連接，由激光測距儀10檢測靶材和襯底之間的距離，步進電機11的控制器依據(jù)激光測距儀測得的距離，驅(qū)動步進電機11帶動襯底架12移動，從而調(diào)節(jié)靶材和襯底之間的距離。所述MBE蒸發(fā)源4的數(shù)量為五個。所述生長室腔體I為耐高壓合金鋼。
[0026]圖3是本實施例制備的GaN薄膜的X射線回擺曲線，GaN(1-1OO)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低于259arcsec，表明在LiGaO2 (100)襯底上外延生長出了高質(zhì)量的非極性GaN薄膜。
[0027]將本實施例制備的生長在鎵酸鋰襯底上的GaN薄膜用于制備LED:在本實施例制備的生長在鎵酸鋰襯底上的GaN薄膜上依次外延生長Si摻雜的η型摻硅GaN、InxGa1^xN多量子阱層、Mg摻雜的P型摻鎂的GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在鎵酸鋰襯底上制備得到的GaN基LED器件，其η型GaN的厚度約為4.8 μ m，其載流子的濃度為1.7 X 11W3;InxGai_xN/GaN多量子阱層的厚度約為150nm，周期數(shù)為10，其中InxGa1J阱層為3nm，GaN皇層為12nm，p型摻鎂的GaN層厚度約為300nm，其載流子的濃度為4.5X 1017cnT3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為5.8mW，開啟電壓值為3.20V。
[0028]將本實施例制備的生長在鎵酸鋰襯底上的GaN薄膜用于制備光電探測器:在本實施例制備的生長在鎵酸鋰襯底上的GaN薄膜上依次外延生長η型摻硅GaN、非摻雜GaN、P型摻鎂的GaN，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。其中η型摻硅GaN厚度約為3 ym,其載流子的濃度為1.9X 119CnT3;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為
3.4X 11W3ip型摻鎂的GaN度約為1.6 μπι。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為60ρΑ，并且器件在IV偏壓下，在356nm處響應(yīng)度的最大值達到了 1.2A/W。
[0029]將本實施例制備的生長在鎵酸鋰襯底上的GaN薄膜用于制備InGaN太陽能電池:在本實施例制備的生長在鎵酸鋰襯底上的GaN薄膜上依次生長具有成分梯度的InxGahN緩沖層，η型摻娃InxGa1^N, InxGa1^xN多量子講層，ρ型摻鎂的InxGa1J^層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸，其中O < X彡0.2。其中，η型摻硅InxGa^N厚度約為5 μ m，其載流子的濃度為1.TXlO19cnT35InxGahN多量子阱層，厚度約為360nm，周期數(shù)為20，其中Ina2Gaa8N阱層為3nm，Inaci8Gaa92N皇層為10nm。本工藝制備得到的太陽能電池室溫下的光電轉(zhuǎn)化效率為9.8 %，短路光電流密度為39mA/cm2。
[0030]實施例2
[0031]生長在鎵酸鋰襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0032]I)襯底以及其晶向的選取:采用LiGaO2襯底，以(100)面偏(110)方向0.5°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:GaN的(1-100)面平行于LiGaO^ (100)面。
[0033]2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理，所述退火的具體過程為:將襯底放放入退火室內(nèi)，在1050°C下空氣氛圍中對LiGaO2襯底進行退火處理4小時然后空冷至室溫；
[0034]所述襯底表面拋光，具體為:首先將LiGaO2襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理。
[0035]所述清洗，具體為:將LiGaOji底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除LiGaO2襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干。
[0036]3)使用PLD工藝低溫外延GaN緩沖層:采用PLD生長工藝，襯底溫度控制在200°C，襯底轉(zhuǎn)速為10r/min，靶基距為5cm，激光波長為248nm，激光能量為250mJ/p，頻率20Hz，氮的等離子體流量為4.5sccm, RF活化功率為450W，使用高能激光蒸發(fā)7N的金屬Ga靶，在襯底上生長厚度為250nm的GaN緩沖層。
[0037]4) GaN薄膜的外延生長:采用MBE生長工藝，將襯底溫度控制在700°C，自傳速率為5r/min，Ga的蒸發(fā)溫度為950°C，氮的等離子體流量為0.7sccm, RF活化功率為400W，在步驟3)得到的GaN緩沖層上生長厚度為400nm的GaN薄膜。
[0038]本實施例制備的鎵酸鋰襯底上的非極性GaN薄膜具有非常好的晶體質(zhì)量，測試數(shù)據(jù)與實施例1相近，在此不再贅述。
[0039]對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應(yīng)該屬于本實用新型權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.在鎵酸鋰襯底上外延生長的非極性GaN薄膜，其特征在于:它由LiGaO 2襯底以及在LiGaO2襯底上的脈沖激光沉積法制備的GaN緩沖層、分子束外延法制備的GaN薄膜組成；所述LiGaO2襯底以(100)面偏(110)方向0.2-1°為外延面；所述GaN緩沖層的厚度為30-50nm;所述GaN薄膜的厚度為100-300 nm。
【文檔編號】H01L31/0352GK204204894SQ201420288900
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司