生長在LiGaO₂襯底上的非極性GaN薄膜及其製備方法、應用的製作方法

2023-12-06 09:06:46 1

專利名稱：生長在LiGaO2襯底上的非極性GaN薄膜及其製備方法、應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及非極性GaN薄膜及其製備方法，特別涉及生長在LifeiA襯底上的非極性GaN薄膜及其製備方法、應用。
背景技術：
LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點， 可以廣泛應用於各種普通照明、指示、顯示、裝飾、背光源、和城市夜景等領域。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、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、低汙染、低排放為基礎的低碳經濟，將成為經濟發展的重要方向。在照明領域，LED發光產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品，必然是未來發展的趨勢，二十一世紀將是以LED為代表的新型照明光源的時代。III族氮化物半導體材料GaN是製造高效LED器件最為理想的材料。目前，GaN基 LED的發光效率現在已經達到並且還在進一步的增長，該數值遠遠高於目前通常使用的白熾燈(約為2% )或螢光燈(約為10% )等照明方式的發光效率。數據統計表明，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螢光燈，可節省接近一半的照明用電，超過三峽工程全年的發電量。因照明而產生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與螢光燈相比，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。LED要真正實現大規模廣泛應用，需要進一步提高LED晶片的發光效率。雖然LED 的發光效率已經超過日光燈和白熾燈，但是商業化LED發光效率還是低於鈉燈(1501m/W)， 單位流明/瓦的價格偏高。目前，LED晶片的發光效率不夠高，一個主要原因是由於其藍寶石襯底造成的。基於藍寶石襯底的LED技術存在兩個嚴峻的問題。首先，藍寶石與GaN晶格的失配率高達17%，如此高的晶格失配使得藍寶石上的LED外延片有很高的缺陷密度， 大大影響了 LED晶片的發光效率。其次，藍寶石襯底價格十分昂貴，使得氮化物LED生產成本很高(藍寶石襯底在LED的製作成本中佔有相當大的比例)。LED晶片的發光效率不夠高的另外一個主要原因是由於目前廣泛使用的GaN基 LED具有極性。目前製造高效LED器件最為理想的材料是GaN。GaN為密排六方晶體結構， 其晶面分為極性面c面[(0001)面]和非極性面a面[(11-20)面]及m面[(1-100)面]。 目前，GaN基LED大都基於GaN的極性面構建而成。在極性面GaN上，( 原子集合和N原子集合的質心不重合，從而形成電偶極子，產生自發極化場和壓電極化場，進而引起量子束縛斯塔克效應Quantum-confined Starker Effect, QCSE)，使電子和空穴分離，載流子的輻射複合效率降低，最終影響LED的發光效率，並造成LED發光波長的不穩定。解決這一問題最好的辦法是採用非極性面的GaN材料製作LED，以消除量子束縛斯塔克效應的影響。理論研究表明，使用非極性面GaN來製造LED，將可使LED發光效率提高近一倍。由此可見，要使LED真正實現大規模廣泛應用，提高LED晶片的發光效率，並降低其製造成本，最根本的辦法就是研發新型襯底上的非極性GaN基LED外延晶片。因此新型襯底上外延生長非極性氮化鎵LED外延片一直是研究的熱點和難點。

發明內容
為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的之一在於提供一種生長在 LifeO2襯底上的非極性GaN薄膜，具有缺陷密度低、結晶質量好的優點，且製備成本低廉。本發明的目的之二在於提供上述非極性GaN薄膜的製備方法。本發明的目的之三在於提供上述非極性GaN薄膜的應用。本發明的目的通過以下技術方案實現生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜，包括生長在Life^2襯底上的非極性m面 GaN緩衝層及生長在非極性m面GaN緩衝層上的非極性m面GaN外延層；所述非極性m面 GaN緩衝層是在襯底溫度為220-350°C時生長的GaN層；所述非極性m面GaN層是在襯底溫度為600-750°C時生長的GaN層。所述非極性m面GaN緩衝層的厚度為30-60nm。上述生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用Life^2襯底，晶體取向為(100)晶面偏向(110) 方向0.2° ；(2)對襯底進行退火處理將襯底在900-1000°C下高溫烘烤3- 後空冷至室溫；(3)對襯底進行表面清潔處理；(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為 220-3500C，反應室壓力為 5-7X 10_5Pa、V / III比為 50-60、生長速度為 0. 4-0. 6ML/s ；(5)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN外延層，工藝條件為襯底溫度升至600-750°C，反應室壓力為3-5X10_5pa、V /III比為30-40、生長速度為0. 8-1. OML/s。所述非極性m面GaN緩衝層的厚度為30-60nm。步驟( 所述對襯底進行表面清潔處理，具體為將Life^2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5-10分鐘，去除LifeO2襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗後的Life^2襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將Life^2襯底放入低溫分子束外延生長室，在超高真空條件下，將襯底溫度升至850-90(TC，高溫烘烤20-30 分鐘，除去Life^2襯底表面殘餘的雜質。所述超高真空條件為壓力小於6 X 10_>a。上述生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜用於製備GaN基LED器件。上述生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜用於製備GaN紫外光電探測器。上述生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜用於製備InGaN太陽能電池器件。與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果(1)本發明使用LiGaA作為襯底，同時採用低溫分子束外延技術在LiGa&襯底上先生長一層非極性m面GaN緩衝層，獲得襯底與非極性m面GaN外延層之間很低的晶格失配度，有利於沉積低缺陷的非極性m面GaN外延層，極大的提高了 LED的發光效率。(2)採用低溫分子束外延技術在Life^2襯底上先生長一層非極性m面GaN緩衝層，在低溫下能保證Life^2襯底的穩定性，減少鋰離子的揮發造成的晶格失配和劇烈界面反應，從而為下一步生長非極性m面GaN外延層打下良好基礎。(3)製備出非極性GaN薄膜，消除了極性面GaN帶來的量子束縛斯塔克效應，提高了載流子的輻射複合效率，可大幅度提高氮化物器件如半導體雷射器、發光二極體及太陽能電池的效率。(4)使用LiGaA作為襯底，容易獲得，價格便宜，有利於降低生產成本。


圖1為本發明製備的生長在LiGaA襯底上的非極性GaN薄膜的截面示意圖。圖2為本發明製備的生長在LiGaA襯底上的非極性GaN薄膜的XRD測試圖。圖3為本發明製備的生長在LiGaA襯底上的非極性GaN薄膜的透射電鏡圖。圖4為本發明製備的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的CL (陰極射線)譜測試圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。實施例1本實施例生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用LiGaA襯底，晶體取向為(100)晶面偏向(110) 方向0.2°。(2)對襯底進行退火處理將襯底在900°C下高溫烘烤3- 後空冷至室溫。(3)對襯底進行表面清潔處理將Life^2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5 分鐘，去除Life^2襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物； 清洗後的Life^2襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將Life^2襯底放入低溫分子束外延生長室，在超高真空條件下，將襯底溫度升至850°C，高溫烘烤20分鐘，除去LifeO2襯底表面殘餘的雜質。(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為 220°C，5X10_5Pa、V /III比為 50、生長速度為 0. 4ML/s ；(5)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN外延層，工藝條件為襯底溫度升至600°C，反應室壓力為3X10_5pa、V /III比為30、生長速度為0. 8ML/s。如圖1所示，本發明製備的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜，包括生長在 LiGaO2襯底11上的非極性m面GaN緩衝層12及生長在非極性m面GaN緩衝層上的非極性 m面GaN外延層13。圖2為本發明製備的生長在Life^2襯底(100)面上的非極性GaN薄膜的XRD測試圖。測試得到GaN(I-IOO)面(即m面)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低於0. 1°， 表明本發明製備的非極性GaN薄膜無論是在缺陷密度還是在結晶質量上，都具有非常好的性能。圖3為本發明製備的生長在LifeO2襯底上的非極性GaN薄膜的透射電鏡圖。由圖可知，LiGaO2襯底的晶體取向為(100)晶面，偏向(110)方向0.2°，GaN與LifeiO2襯底之間的界面清晰。0. 5nm為LifeiO2襯底沿(001)的晶格常數，0. 52nm為沿(0001)方向的GaN 的晶格常數，而且襯底上生長的晶面關係是GaN(I-IOO) Il LiGaO2(IOO)0圖4為本發明製備的生長在Life^2襯底上的非極性m面GaN薄膜的在溫度為5K 下CL譜測試圖。由圖可知，溫度為漲下化譜測試得到帶間激子複合發光峰為3. 48eV，表明本發明製備的非極性GaN薄膜無論是電學性質還是在光學性質上，都具有非常好的性能。利用本實施例製備的生長在Life^2襯底上的非極性m面GaN薄膜製備p-i-η結構的GaN基LED器件的步驟如下在上述步驟得到的非極性m面GaN外延層上依次生長η 型摻矽GaN外延層、Ιηχ(^_χΝ多量子阱層、Mg摻雜的ρ型GaN層；再經電子束蒸發形成歐姆接觸；最後通過在隊氣氛下退火，以提高P型GaN薄膜的載流子濃度和遷移率。其中，η型摻矽GaN外延層的厚度為5 μ m，載流子的濃度為1 X 1019cm_3 ；InxGai_xN多量子阱層厚度約為 lOOnm，周期數為7，其中^ixGivxN阱層為3nm，壘層為IOnm ；Mg摻雜的ρ型GaN層的厚度約為150nm，載流子濃度為2X1016Cm_3。實施例2本實施例生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用LiGaA襯底，晶體取向為(100)晶面偏向(110) 方向0.2°。(2)對襯底進行退火處理將襯底在1000°C下高溫烘烤證後空冷至室溫。(3)對襯底進行表面清潔處理將Life^2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗10 分鐘，去除LifeiA襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物； 清洗後的Life^2襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將LifeiA襯底放入低溫分子束外延生長室，在超高真空條件下，將襯底溫度升至90(TC，高溫烘烤30分鐘，除去LifeO2襯底表面殘餘的雜質。(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為 3500C，7X 10_5Pa、V / III比為 60、生長速度為 0. 6ML/s ；(5)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN外延層，工藝條件為襯底溫度升至750°C，反應室壓力為5X10_5pa、V /III比為40、生長速度為1. OML/s。利用本實施例製備的生長在Life^2襯底上的非極性m面GaN薄膜製備GaN紫外光電探測器的步驟如下在上述步驟得到的非極性m面GaN外延層上依次生長η型摻矽GaN 外延層、本徵GaN外延層、Mg摻雜的ρ型GaN層；再經電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結； 最後通過在N2氣氛下退火，以提高ρ型GaN薄膜的載流子濃度和遷移率。其中，η型摻矽 GaN外延層的厚度為3 μ m，載流子的濃度為IX 1019cm_3 ；本徵GaN外延層的厚度為200nm， 載流子的濃度為2. 2 X IO1W3 ；Mg摻雜的ρ型GaN的厚度約為1. 5 μ m。實施例3本實施例生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用LiGaA襯底，晶體取向為(100)晶面偏向(110) 方向0.2°。(2)對襯底進行退火處理將襯底在950°C下高溫烘烤4h後空冷至室溫。(3)對襯底進行表面清潔處理將Life^2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗8 分鐘，去除Life^2襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗後的LifeiA襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將LifeiA襯底放入低溫分子束外延生長室，在超高真空條件下，將襯底溫度升至870°c，高溫烘烤25分鐘，除去襯LifeiA底表面殘餘的雜質。(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為 300°C，6X10_5Pa、V /III比為 55、生長速度為 0. 5ML/s ；(5)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN外延層，工藝條件為襯底溫度升至700°C，反應室壓力為4X 10_5pa、V / III比為35、生長速度為0. 9ML/s。利用本實施例製備的生長在Life^2襯底上的非極性m面GaN薄膜製備InGaN太陽能電池器件的步驟如下在上述步驟得到的非極性m面GaN外延層上依次生長具有成分梯度的LxGiVxN緩衝層(χ的值在0-0. 2之間可調)、η型摻矽InxGai_xN外延層、LxGi^xN多量子阱層、Mg摻雜的ρ型hxGai_xN層；再經電子束蒸發形成歐姆接觸；最後通過在N2氣氛下退火，以提高P型GaN薄膜的載流子濃度和遷移率。其中，η型摻矽GaN外延層的厚度為 5 μ m，載流子的濃度為IXlO19cnT3 ；Ιηχ(^_χΝ多量子阱層厚度約為300nm，周期數為20，其中 In0.2Ga0.8N阱層厚度為3nm，Inatl8Giia92N壘層為IOnm ；Mg摻雜的ρ型Inx^vxN層的厚度約為 200nm，載流子濃度為2 X IO16CnT3。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發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，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.生長在LifeiA襯底上的非極性GaN薄膜，其特徵在於，包括生長在LifeiA襯底上的非極性m面GaN緩衝層及生長在非極性m面GaN緩衝層上的非極性m面GaN外延層；所述非極性m面GaN緩衝層是在襯底溫度為220-350°C時生長的GaN層；所述非極性m面GaN層是在襯底溫度為600-750°C時生長的GaN層。
2.根據權利要求1所述的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜，其特徵在於，所述非極性m面GaN緩衝層的厚度為30-60nm。
3.生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用LifeiO2襯底，晶體取向為(100)晶面偏向(110)方向 0.2° ；(2)對襯底進行退火處理將襯底在900-1000°C下高溫烘烤3- 後空冷至室溫；(3)對襯底進行表面清潔處理；(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為 220-350°C，反應室壓力為 5-7X10_5Pa、V /III比為 50-60、生長速度為 0. 4-0. 6ML/s ；(5)採用低溫分子束外延工藝生長非極性m面GaN外延層，工藝條件為襯底溫度升至 600-750°C，反應室壓力為 3-5X10_5pa、V /III比為 30-40、生長速度為 0. 8-1. OML/s。
4.根據權利要求3所述的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，其特徵在於，所述非極性m面GaN緩衝層的厚度為30-60nm。
5.根據權利要求3所述的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，其特徵在於，步驟C3)所述對襯底進行表面清潔處理，具體為將LifeO2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5-10分鐘，去除Life^2襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌， 去除表面有機物；清洗後的Life^2襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將Life^2襯底放入低溫分子束外延生長室，在超高真空條件下，將襯底溫度升至850-90(TC，高溫烘烤20-30分鐘， 除去Life^2襯底表面殘餘的雜質。
6.根據權利要求5所述的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜的製備方法，其特徵在於，所述超高真空條件為壓力小於6X 10_7!^。
7.權利要求1 2任一項所述的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜用於製備GaN 基LED器件。
8.權利要求1 2任一項所述的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜用於製備GaN 紫外光電探測器。
9.權利要求1 2任一項所述的生長在Life^2襯底上的非極性GaN薄膜用於製備 InGaN太陽能電池器件。
全文摘要
本發明公開了生長在LiGaO2襯底上的非極性GaN薄膜，包括生長在LiGaO2襯底上的非極性m面GaN緩衝層及生長在非極性m面GaN緩衝層上的非極性m面GaN層；所述非極性m面GaN緩衝層是在襯底溫度為220-350℃時生長的GaN膜層；所述非極性m面GaN層是在襯底溫度為600-750℃時生長的GaN膜層。本發明還公開了上述非極性GaN薄膜的製備方法及應用。與現有技術相比，本發明具有生長工藝簡單，製備成本低廉的優點，且製備的非極性GaN薄膜缺陷密度低、結晶質量好。
文檔編號H01L33/32GK102544276SQ201210048780
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者李國強, 楊慧 申請人:華南理工大學