生長在Cu襯底的GaN薄膜的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種生長在Cu襯底的GaN薄膜，其特征在于，包括Cu襯底、AlN緩沖層和GaN薄膜，所述AlN緩沖層生長在Cu襯底上，所述GaN薄膜生長在AlN緩沖層上；所述Cu襯底以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。本實用新型通過對Cu襯底外延面的選擇及AlN緩沖層緩的設(shè)置，獲得晶體質(zhì)量好的生長在Cu襯底的GaN薄膜。
【專利說明】生長在Cu襯底的GaN薄膜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及GaN薄膜，特別是涉及一種生長在Cu襯底的GaN薄膜。

【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)域都具有廣泛的應用。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，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]II1-族氮化物GaN在電學、光學以及聲學上具有極其優(yōu)異的性質(zhì)，近幾年受到廣泛關(guān)注。GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學和熱穩(wěn)定性好，熱導率高，熱膨脹系數(shù)低，擊穿介電強度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發(fā)光效率現(xiàn)在已經(jīng)達到28%并且還在進一步的增長，該數(shù)值遠遠高于目前通常使用的白熾燈(約為2%)或熒光燈(約為10%)等照明方式的發(fā)光效率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，我國目前的照明用電每年在4100億度以上，超過英國全國一年的用電量。如果用LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，可節(jié)省接近一半的照明用電，超過三峽工程全年的發(fā)電量。因照明而產(chǎn)生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與熒光燈相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用壽命約為此類照明工具的100倍。
[0004]LED要真正實現(xiàn)大規(guī)模廣泛應用，需要進一步提高LED芯片的發(fā)光效率。雖然LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過日光燈和白熾燈，但是商業(yè)化LED發(fā)光效率還是低于鈉燈(1501m/W)，單位流明/瓦的價格偏高。目前，LED芯片的發(fā)光效率不夠高，一個主要原因是由于其藍寶石襯底造成的。由于藍寶石與GaN的晶格失配高達17%，導致外延GaN薄膜過程中形成很高的位錯密度，從而降低了材料的載流子迀移率，縮短了載流子壽命，進而影響了 GaN基器件的性能。其次，由于室溫下藍寶石熱膨脹系數(shù)(6.63X KT6IT1)較GaN的熱膨脹系數(shù)(5.6X 10-?-1)大，兩者間的熱失配度約為-18.4%，當外延層生長結(jié)束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產(chǎn)生很大的壓應力，容易導致薄膜和襯底的龜裂。再次，由于藍寶石的熱導率低(100°C時為25W/m.K)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時排出，導致熱量積累，使器件的內(nèi)量子效率降低，最終影響器件的性能。因此迫切需要尋找一種晶格匹配和熱膨脹系數(shù)匹配的襯底材料應用于外延生長GaN薄膜。
實用新型內(nèi)容
[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種生長在Cu襯底的GaN薄膜，本實用新型通過對Cu襯底外延面的選擇及AlN緩沖層緩的設(shè)置，獲得晶體質(zhì)量好的生長在Cu襯底的GaN薄膜。
[0006]為解決上述問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]生長在Cu襯底的GaN薄膜，包括Cu襯底、AlN緩沖層和GaN薄膜，所述AlN緩沖層生長在Cu襯底上，所述GaN薄膜生長在AlN緩沖層上；所述Cu襯底以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。
[0008]優(yōu)選的，所述AlN緩沖層的厚度為30-50nm，所述GaN薄膜的厚度為100_300nm。
[0009]相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的有益效果在于:
[0010]1、本實用新型使用Cu作為襯底，Cu襯底容易獲得，價格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本；
[0011]2、本實用新型制備得到的GaN薄膜，半峰寬數(shù)值小，位錯密度低；A1N緩沖層的加入，能夠為后期生長高質(zhì)量GaN薄膜鋪墊，制備得到的GaN基光電材料器件的載流子輻射復合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半導體激光器、發(fā)光二極管及太陽能電池的發(fā)光效率;
[0012]3、本實用新型的生長工藝獨特而簡單易行，便于大規(guī)模生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型中生長在Cu襯底的GaN薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本實用新型實施例1制備的生長在Cu襯底的GaN薄膜(GaN(0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0015]圖3為本實用新型實施例1制備的生長在Cu襯底的GaN薄膜(GaN(10-12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0016]圖4為本實用新型實施例2制備的生長在Cu襯底的GaN薄膜(GaN(0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0017]圖5為本實用新型實施例2制備的生長在Cu襯底的GaN薄膜(GaN(10-12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0018]其中，I為Cu襯底，2為AlN緩沖層，3為GaN薄膜。

【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細說明。
[0020]如圖1所示，為本實用新型中生長在Cu襯底的GaN薄膜，包括Cu襯底1、A1N緩沖層2和GaN薄膜3，所述AlN緩沖層2生長在Cu襯底I上，所述GaN薄膜3生長在AlN緩沖層2上；所述Cu襯底I以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。
[0021 ] 優(yōu)選方案中，所述AlN緩沖層2的厚度為30-50nm，所述GaN薄膜3的厚度為100_300nmo
[0022]實施例1
[0023]生長在Cu襯底的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0024](I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面偏(100)方向0.5°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:GaN的(0001)面平行于Cu的(111)面。
[0025](2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法進行拋光處理；其次，將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3min，去除Cu襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；最后，將Cu襯底放入反應室內(nèi)，在500 °C下空氣氛圍中對Cu襯底進行退火處理3h，然后空冷至室溫。
[0026](3) AlN緩沖層外延生長:Cu襯底溫度調(diào)為400°C，在反應室的壓力為6.0X10_5Pa、生長速度為0.5ML/s的條件下生長厚度為30nm的AlN緩沖層。
[0027](4)GaN薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積技術(shù)生長工藝，將Cu襯底保持在550°C，在反應室的壓力為7.0X10_5Pa、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(3)得到的AlN緩沖層上生長厚度為10nm的GaN薄膜，即得所述生長在Cu襯底的GaN薄膜。
[0028]圖2-3是本實施例制備的GaN薄膜的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FffHM)值低于2.0度，GaN(10_12)的半峰寬值為2.5度；表明在Cu(Ill)襯底上外延生長出了單晶的GaN薄膜。
[0029]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的GaN薄膜用于制備LED:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的GaN薄膜上依次外延生長非摻雜的GaN薄膜，Si摻雜的η型摻娃GaN、InxGa1^xN多量子講層、Mg摻雜的ρ型摻鎂的GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在金屬Cu襯底上制備得到的GaN基LED器件，其非摻雜的GaN薄膜約為2 μ m，η型GaN的厚度約為3 μ m，其載流子的濃度為I X 1019cm_3;In xGai_xN/GaN多量子阱層的厚度約為105nm,周期數(shù)為7，其中InxGapxN講層為3nm，GaN皇層為12nm，ρ型摻鎂的GaN層厚度約為300nm，其載流子的濃度為3 X 1017cm_3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為4.3mW，開啟電壓值為2.70V。
[0030]將本實施例制備的生長在金屬Cu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金屬Cu襯底上的GaN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、n型摻硅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 μ m，其載流子的濃度為I X 1019cm_3;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2.2X10 16cm_3;P型摻鎂的GaN度約為1.5 μπι。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為65ρΑ,并且器件在IV偏壓下，在361nm處響應度的最大值達到了 0.92A/W。
[0031]檢測結(jié)果顯示，無論是結(jié)構(gòu)性質(zhì)還是在應用上，均優(yōu)于目前已經(jīng)報道的應用Cu襯底獲得的GaN薄膜的相關(guān)結(jié)果，具有良好的應用前景。
[0032]實施例2
[0033]生長在Cu襯底的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0034](I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面偏(100)方向1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:GaN的(0001)面平行于Cu的(111)面。
[0035](2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法進行拋光處理；其次，將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5min，去除Cu襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；最后，將Cu襯底放入反應室內(nèi)，在600 °C下空氣氛圍中對Cu襯底進行退火處理5h，然后空冷至室溫。
[0036](3)AlN緩沖層外延生長:Cu襯底溫度調(diào)為500°C，在反應室的壓力為7.2X10_5Pa、生長速度0.6ML/s的條件下生長厚度為50nm的AlN緩沖層。
[0037](4) GaN薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積技術(shù)生長工藝，將襯底保持在550°C，在反應室的壓力為5.0 X 10_5Pa、生長速度為0.8ML/s條件下，在步驟(3)得到的AlN緩沖層上生長300nm GaN薄膜，即得所述生長在Cu襯底的GaN薄膜。
[0038]圖4-5是本實施例制備的GaN薄膜的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FffHM)值低于2.0度，GaN(10_12)的半峰寬值為2.5度；表明在Cu(Ill)襯底上外延生長出了單晶的GaN薄膜。
[0039]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的GaN薄膜用于制備LED:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的GaN薄膜上依次外延生長非摻雜的GaN薄膜，Si摻雜的η型摻娃GaN、InxGa1^xN多量子講層、Mg摻雜的ρ型摻鎂的GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在金屬Cu襯底上制備得到的GaN基LED器件，其非摻雜的GaN薄膜約為2 μ m，η型GaN的厚度約為3 μ m，其載流子的濃度為I X 1019cm_3;In xGai_xN/GaN多量子阱層的厚度約為105nm,周期數(shù)為7，其中InxGa^N講層為3nm，GaN皇層為12nm，ρ型摻鎂的GaN層厚度約為300nm，其載流子的濃度為3 X 1017cm_3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為4.25mW，開啟電壓值為2.75V。
[0040]將本實施例制備的生長在金屬Cu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金屬Cu襯底上的GaN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、n型摻硅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 μ m，其載流子的濃度為I X 1019cm_3;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2.2X10 16cm_3;P型摻鎂的GaN度約為1.5 μπι。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66ρΑ,并且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應度的最大值達到了 0.91A/W。
[0041]檢測結(jié)果顯示，無論是結(jié)構(gòu)性質(zhì)還是在應用上，均優(yōu)于目前已經(jīng)報道的應用Cu襯底獲得的GaN薄膜的相關(guān)結(jié)果，具有良好的應用前景。
[0042]對本領(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，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應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.生長在Cu襯底的GaN薄膜，其特征在于，包括Cu襯底、AlN緩沖層和GaN薄膜，所述AlN緩沖層生長在Cu襯底上，所述GaN薄膜生長在AlN緩沖層上。
2.如權(quán)利要求1所述生長在Cu襯底的GaN薄膜，其特征在于，所述AlN緩沖層的厚度為30-50nm，所述GaN薄膜的厚度為100_300nm。
【文檔編號】H01L33/02GK204204895SQ201420289061
【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