本發(fā)明涉及GaN薄膜，特別涉及生長在鋁酸鎂鈧(ScMgAlO₄)襯底上的GaN薄膜及其制備方法、應用。

背景技術：

GaN及III-族氮化物由于寬禁帶、穩(wěn)定的物理化學性質、高的熱導率和高的電子飽和速度等優(yōu)點，廣泛應用于發(fā)光二極管(LED)、激光器和光電子器件等方面。

目前，GaN基器件主要是基于藍寶石襯底。藍寶石與GaN的晶格失配高達13.3％，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遷移率，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(6.63×10^-6K^-1)較GaN的熱膨脹系數(5.6×10^-6K^-1)大，兩者間的熱失配度約為27％；當外延層生長結束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產生很大的壓應力，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℃時為25W/m.K)，很難將芯片內產生的熱量及時排出，導致熱量積累，使器件的內量子效率降低，最終影響器件的性能。因此迫切尋找一種晶格和熱膨脹系數匹配的襯底材料應用于外延生長GaN薄膜。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜，鋁酸鎂鈧襯底材料與GaN的晶格失配率僅為1.8％，熱失配小(9.7％)，有利于GaN的形核；基于此襯底材料生長的GaN薄膜，具有晶體質量好，位錯密度低的優(yōu)點。

本發(fā)明的目的之二在于提供上述生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜的制備方法。

本發(fā)明的目的之三在于提供上述生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜的應用。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現：

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜，包括依次生長在ScMgAlO₄襯底上的GaN緩沖層、GaN形核層，GaN非晶層和GaN薄膜。

所述ScMgAlO₄襯底以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°為外延面。

所述GaN緩沖層的厚度為30～80nm。

所述GaN形核層的厚度為50～150nm。

所述GaN非晶層的厚度為10～120nm。

所述GaN薄膜的厚度為100～500nm。

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肧cMgAlO₄襯底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°為外延面，晶體外延取向關系為：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄的(0001)面；

(2)襯底退火處理：將襯底放入退火室內，在600～700℃下對ScMgAlO₄襯底進行退火處理1～2h，獲得原子級平整的襯底表面；

(3)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450～550℃，采用脈沖激光沉積在反應室的壓力為1.0～4.0×10^-5Pa、激光能量密度為1.5～3.0J/cm²的條件下生長GaN緩沖層；

(4)GaN形核層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在500～600℃，在反應室的壓力為6.0～8.0×10^-5Pa、生長速度為0.6～0.8ML/s條件下，在步驟(3)得到的GaN緩沖層上生長GaN薄膜；

(5)GaN非晶層的生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在350～400℃，在反應室的壓力為1.2～2.0×10^-4Pa、生長速度為0.5～0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN形核層上生長GaN非晶層，釋放生長中引入的應力；

(6)GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在500～600℃，在反應室的壓力為6.0～8.0×10^-5Pa、生長速度為0.6～0.8ML/s條件下，在步驟(5)得到的GaN非晶層上生長GaN薄膜。

所述的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜的應用，用于制備LED或光電探測器。

ScAlMgO₄晶體屬于六方晶系，晶格常數a＝0.3246nm，c＝2.5195nm，具有菱形六面體層狀結構，與纖鋅礦氮化物和氧化鋅的結構相似。ScAlMgO₄是一種與GaN和ZnO晶格常數和結構非常匹配的襯底材料。它與GaN的晶格失配率約為1.8％，與ZnO的晶格失配率僅為0.09％，a軸的熱膨脹系數為6.2×10^-6/℃，c軸的熱膨脹系數為12.2×10^-6/℃，與GaN、ZnO外延薄膜之間的熱膨脹系數失配比傳統(tǒng)的藍寶石和硅等襯底好的多，可制作大尺寸襯底，降低成本。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)本發(fā)明使用鋁酸鎂鈧作為襯底，ScMgAlO₄襯底與GaN晶格失配小(1.8％)，熱失配小(9.7％)，并且價格便宜，有利于降低生產成本，鋁酸鎂鈧襯底生產工藝成熟，可制作大尺寸襯底；ScMgAlO₄熱導率要比藍寶石高，有利于制備大功率器件。

(2)本發(fā)明使用鋁酸鎂鈧作為襯底，外延生長GaN薄膜前，先采用脈沖激光沉積低溫生長GaN緩沖層。GaN緩沖層可以提供形核的中心，容易獲得島狀GaN，為下一步外延高質量低缺陷的GaN薄膜做鋪墊。

(3)本發(fā)明外延生長中采用了GaN非晶層這一結構。GaN非晶層由晶體向非晶轉變過程中，有效釋放了薄膜生長中應力，減少了缺陷；從而易于在此基礎上生長高質量的GaN薄膜。

(4)本發(fā)明制備得到的GaN薄膜，X射線搖擺曲線半峰寬數值小，晶體質量高，位錯密度低。另外采用與GaN晶格失配和熱失配度小的鋁酸鎂鈧作為襯底，能夠有效的減少熱應力和位錯的形成，有利于高質量GaN薄膜的生長。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。

(5)本發(fā)明的生長工藝簡單易行，具有可重復性。

附圖說明

圖1為實施例1制備的GaN薄膜的截面示意圖。

圖2為實施例1制備的GaN非晶層的反射高能電子衍射儀(RHEED)圖。

圖3為實施例1制備的GaN薄膜(GaN(0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜。

圖4為實施例1制備的GaN薄膜(GaN(10-12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜。

圖5為實施例1制備的GaN薄膜的顯微鏡(100X)圖譜。

圖6是5000倍下GaN薄膜表面的SEM圖。

具體實施方式

下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的高質量GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肧cMgAlO₄襯底，以(0001)面偏(11-20)面0.5°為外延面，晶體外延取向關系為：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄的(0001)面；

(2)襯底退火處理：將襯底分子束外延真空生長室內，在600℃下對鋁酸鎂鈧襯底進行退火處理1小時，獲得原子級平整表面；

(3)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450℃，采用脈沖激光沉積在反應室的壓力為2.0×10^-5Pa、激光能量密度為1.8J/cm²的條件下生長30nm厚的GaN緩沖層；

(4)GaN形核層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在500℃，在反應室的壓力為6.0×10^-5Pa、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(3)得到的GaN緩沖層上生長厚度為100nm的GaN薄膜；

(5)GaN非晶層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在550℃，在反應室的壓力為1.6×10^-4Pa、生長速度為0.8ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN形核層上生長厚度為120nm的GaN非晶層，釋放生長中引入的應力；

(6)GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在500℃，在反應室的壓力為6.0×10^-5Pa、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(5)得到的GaN非晶層上生長厚度為200nm的GaN薄膜。

如圖1所示，本實施例制備的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜，包括生長在ScMgAlO₄襯底11上的GaN緩沖層12；生長在GaN緩沖層12上的GaN形核層13；生長在GaN形核層13上的GaN非晶層14；生長在GaN非晶層14上的GaN薄膜15。

圖2為實施例1制備的GaN非晶層的反射高能電子衍射儀(RHEED)圖，證明是GaN非晶層，可以有效釋放應力，減少缺陷。圖3～4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(FWHM)值低于0.2°，GaN(10-12)的半峰寬值為0.4°；表明在ScMgAlO₄襯底上外延生長出了高質量的GaN薄膜。

圖5是本實施例制備的GaN薄膜的顯微鏡(OM)圖譜，可以看到GaN薄膜表面光滑且平整。

圖6是5000倍下GaN薄膜表面的SEM圖，可以看到平整的GaN薄膜。

將本實施例制備的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜用于制備LED：在本實施例制備的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜上依次外延生長Si摻雜的n型摻硅GaN、In_xGa_1-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。在鋁酸鎂鈧襯底上制備得到的GaN基LED器件，其n型GaN的厚度約為8μm，其載流子的濃度為1×10¹⁹cm^-3；In_xGa_1-xN/GaN多量子阱層的厚度約為240nm,周期數為15，其中In_xGa_1-xN阱層為3nm，GaN壘層為13nm，p型摻鎂的GaN層厚度約為400nm，其載流子的濃度為2×10¹⁷cm^-3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為4.5mW，開啟電壓值為3V。

將本實施例制備的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜用于制備MSM型紫外光電探測器：在本實施例制備的生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜，依次進行光刻顯影，電子束蒸發(fā)沉積電極形成肖特基接觸，退火等工藝。其中沉積電極厚度約為80μm，退火溫度為500℃，退火時間為180s。本實施例所制備的光電探測器在10V偏壓下，暗電流僅為9pA；并且器件在3V偏壓下，在365nm處響應度的最大值達到了0.15A/W；光響應從10％上升到90％僅用50ps。

實施例2

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肧cMgAlO₄襯底，以(0001)面偏(11-20)方向0.5°為外延面，晶體外延取向關系為：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄的(0001)面；

(2)襯底退火處理：將襯底分子束外延真空生長室內，在700℃下對鋁酸鎂鈧襯底進行退火處理2小時，獲得原子級平整表面；

(3)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為500℃，采用脈沖激光沉積在反應室的壓力為3.0×10^-5Pa、激光能量密度為2.0J/cm²的條件下生長80nm厚的GaN緩沖層；

(4)GaN形核層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在600℃，在反應室的壓力為8.0×10^-5Pa、生長速度為0.8ML/s條件下，在步驟(3)得到的GaN緩沖層上生長厚度為150nm的GaN薄膜；

(5)GaN非晶層的生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在350℃，在反應室的壓力為1.4×10^-4Pa、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN形核層上生長厚度為50nm的GaN非晶層，釋放生長中引入的應力；

(6)GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在500℃，在反應室的壓力為8.0×10^-5Pa、生長速度為0.8ML/s條件下，在步驟(5)得到的GaN非晶層上生長厚度為400nm的GaN薄膜。

本實施例制備的鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜具有非常好的光學性能，測試數據與實施例1相近，在此不再贅述。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。