生长在LiGaO₂衬底上的非极性GaN薄膜的制作方法

专利名称：生长在LiGaO₂衬底上的非极性GaN薄膜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及非极性GaN薄膜，特别涉及生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜。
背景技术：
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点， 可以广泛应用于各种普通照明、指示、显示、装饰、背光源、和城市夜景等领域。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，二十一世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。III族氮化物半导体材料GaN是制造高效LED器件最为理想的材料。目前，GaN基 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。数据统计表明，我国目前的照明用电每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省接近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。因照明而产生的温室气体排放也会因此而大大降低。另外，与荧光灯相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。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。虽然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(1501m/W)， 单位流明/瓦的价格偏高。目前，LED芯片的发光效率不够高，一个主要原因是由于其蓝宝石衬底造成的。基于蓝宝石衬底的LED技术存在两个严峻的问题。首先，蓝宝石与GaN晶格的失配率高达17%，如此高的晶格失配使得蓝宝石上的LED外延片有很高的缺陷密度， 大大影响了 LED芯片的发光效率。其次，蓝宝石衬底价格十分昂贵，使得氮化物LED生产成本很高(蓝宝石衬底在LED的制作成本中占有相当大的比例)。LED芯片的发光效率不够高的另外一个主要原因是由于目前广泛使用的GaN基 LED具有极性。目前制造高效LED器件最为理想的材料是GaN。GaN为密排六方晶体结构， 其晶面分为极性面c面[(0001)面]和非极性面a面[(11-20)面]及m面[(1-100)面]。 目前，GaN基LED大都基于GaN的极性面构建而成。在极性面GaN上，Ga原子集合和N原子集合的质心不重合，从而形成电偶极子，产生自发极化场和压电极化场，进而引起量子束缚斯塔克效应(Quantum-confined Starker Effect, QCSE),使电子和空穴分离,载流子的福射复合效率降低，最终影响LED的发光效率，并造成LED发光波长的不稳定。解决这一问题最好的办法是采用非极性面的GaN材料制作LED，以消除量子束缚斯塔克效应的影响。理论研究表明，使用非极性面GaN来制造LED，将可使LED发光效率提高近一倍。由此可见，要使LED真正实现大规模广泛应用，提高LED芯片的发光效率，并降低其制造成本，最根本的办法就 是研发新型衬底上的非极性GaN基LED外延芯片。因此新型衬底上外延生长非极性氮化镓LED外延片一直是研究的热点和难点。

实用新型内容为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在 LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜，具有缺陷密度低、结晶质量好的优点，且制备成本低廉。本实用新型的目的通过以下技术方案实现生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜，包括生长在LiGaO2衬底上的非极性m面 GaN缓冲层及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层；所述非极性m面 GaN缓冲层是在衬底温度为220-350°C时生长的GaN层；所述非极性m面GaN层是在衬底温度为600-750°C时生长的GaN层。所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30_60nm。上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤(I)选取衬底以及晶体取向采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向O. 2°· ；(2)对衬底进行退火处理将衬底在900-1000°C下高温烘烤3_5h后空冷至室温；(3)对衬底进行表面清洁处理；(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为衬底温度为220-350°C，反应室压力为5-7 X IO^5Pa, V/111比为50-60、生长速度为O. 4-0. 6ML/s ；(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为衬底温度升至600-750°C，反应室压力为3-5Xl(T5pa、V/III比为30-40、生长速度为O. 8-1. OML/s。所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30_60nm。步骤(3)所述对衬底进行表面清洁处理，具体为将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5-10分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤,去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至850-90(TC，高温烘烤20-30 分钟,除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。所述超高真空条件为压力小于6X 10_7Pa。上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN基LED器件。上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN紫外光电探测器。上述生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备InGaN太阳能电池器件。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果(I)本实用新型使用LiGaO2作为衬底，同时采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长一层非极性m面GaN缓冲层，获得衬底与非极性m面GaN外延层之间很低的晶格失配度，有利于沉积低缺陷的非极性m面GaN外延层，极大的提高了 LED的发光效率。(2)采用低温分子束外延技术在LiGaO2衬底上先生长一层非极性m面GaN缓冲层，在低温下能保证LiGaO2衬底的稳定性，减少锂离子的挥发造成的晶格失配和剧烈界面反应，从而为下一步生长非极性m面GaN外延层打下良好基础。(3)制备出非极性GaN薄膜，消除了极性面GaN带来的量子束缚斯塔克效应，提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率。(4)使用LiGaO2作为衬底，容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。

图I为本实用新型制备的生长在LiGaOdf底上的非极性GaN薄膜的截面示意图。图2为本实用新型制备的生长在LiGaOJf底上的非极性GaN薄膜的XRD测试图。图3为本实用新型制备的生长在LiGaOdf底上的非极性GaN薄膜的透射电镜图。图4为本实用新型制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的CL(阴极射线)谱测试图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。实施例I本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤(I)选取衬底以及晶体取向采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向O. 2°。(2)对衬底进行退火处理将衬底在900°C下高温烘烤3_5h后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5 分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物； 清洗后的LiGaO2衬底用闻纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至850°C，高温烘烤20分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为衬底温度为 220°C，5Xl(T5Pa、V/III 比为 50、生长速度为 O. 4ML/s ；(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为衬底温度升至600°C，反应室压力为3X10-5pa、V/III比为30、生长速度为O. 8ML/s。如图I所示，本实用新型制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜，包括生长在LiGaO2衬底11上的非极性m面GaN缓冲层12及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层13。图2为本实用新型制备的生长在LiGaO2衬底(100)面上的非极性GaN薄膜的XRD 测试图。测试得到GaN(I-IOO)面(即m面)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于
O.1°，表明本实用新型制备的非极性GaN薄膜无论是在缺陷密度还是在结晶质量上，都具有非常好的性能。图3为本实用新型制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的透射电镜图。 由图可知，LiGaO2衬底的晶体取向为(100)晶面，偏向(110)方向O. 2°，GaN与LiGaO2衬底之间的界面清晰。O. 5nm为LiGaO2衬底沿(001)的晶格常数，O. 52nm为沿(0001)方向的GaN的晶格常数，而且衬底上生长的晶面关系是GaN(I-IOO) | !LiGaO2 (100)。图4为本实用新型制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜的在温度为5K下CL谱测试图。由图可知，温度为5Κ下CL谱测试得到带间激子复合发光峰为3. 48eV, 表明本实用新型制备的非极性GaN薄膜无论是电学性质还是在光学性质上，都具有非常好的性能。利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜制备p_i_n结构的GaN基LED器件的步骤如下在上述步骤得到的非极性m面GaN外延层上依次生长η 型掺硅GaN外延层、InxGahN多量子阱层、Mg掺杂的ρ型GaN层；再经电子束蒸发形成欧姆接触；最后通过在N2气氛下退火，以提高ρ型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。其中，η型掺硅GaN外延层的厚度为5 μ m，载流子的浓度为I X IO19CnT3 ; InxGa1J多量子阱层厚度约为 lOOnm，周期数为7，其中InxGa^xN阱层为3nm，垒层为IOnm ;Mg掺杂的ρ型GaN层的厚度约为150nm，载流子浓度为2X1016cnT3。实施例2本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤 (I)选取衬底以及晶体取向采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向O. 2°。(2)对衬底进行退火处理将衬底在1000°C下高温烘烤5h后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗10 分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物； 清洗后的LiGaO2衬底用闻纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至900°C，高温烘烤30分钟，除去LiGaO2衬底表面残余的杂质。(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为衬底温度为 350°C，7Xl(T5Pa、V/III 比为 60、生长速度为 O. 6ML/s ；(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为衬底温度升至750°C，反应室压力为5X10_5pa、V/ni比为40、生长速度为I. OML/s。利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜制备GaN紫外光电探测器的步骤如下在上述步骤得到的非极性m面GaN外延层上依次生长η型掺硅GaN 外延层、本征GaN外延层、Mg掺杂的ρ型GaN层；再经电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结； 最后通过在N2气氛下退火，以提高ρ型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。其中，η型掺硅 GaN外延层的厚度为3 μ m，载流子的浓度为IXlO19cnT3 ;本征GaN外延层的厚度为200nm， 载流子的浓度为2. 2 X IO1W3 ；Mg掺杂的ρ型GaN的厚度约为I. 5 μ m。实施例3本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤(I)选取衬底以及晶体取向采用LiGaO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向O. 2°。(2)对衬底进行退火处理将衬底在950°C下高温烘烤4h后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗8 分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物； 清洗后的LiGaO2衬底用闻纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至870°C，高温烘烤25分钟，除去衬LiGaO2底表面残余的杂质。(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN缓冲层，工艺条件为衬底温度为 300 °C, 6 X IO^5Pa, V/111 比为 55、生长速度为 O. 5ML/s ；(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性m面GaN外延层，工艺条件为衬底温度升至700°C，反应室压力为4X10_5pa、V/III比为35、生长速度为O. 9ML/s。利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN薄膜制备InGaN太阳能电池器件的步骤如下在上述步骤得到的非极性m面GaN外延层上依次生长具有成分梯度的InxGa^N缓冲层(x的值在0-0. 2之间可调)、η型掺硅InxGa^N外延层、InxGa^N多量子阱层、Mg掺杂的ρ型InxGahN层；再经电子束蒸发形成欧姆接触；最后通过在N2气氛下退火，以提高P型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。其中，η型掺硅GaN外延层的厚度为 5 μ m，载流子的浓度为IXlO19cnT3 ;InxGai_xN多量子阱层厚度约为300nm，周期数为20，其中 Ina2Gaa8N讲层厚度为3nm, In0 08Ga0 92N鱼层为IOnm ;Mg掺杂的ρ型InxGa^xN层的厚度约为 200nm，载流子浓度为2X 1016cm_3。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的 任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜，其特征在于，包括生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN缓冲层及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN外延层；所述非极性m面GaN缓冲层是在衬底温度为220_350°C时生长的GaN层；所述非极性m面GaN层是在衬底温度为600-750°C时生长的GaN层。
2.根据权利要求I所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜，其特征在于，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30_60nm。
专利摘要本实用新型公开了生长在LiGaO2衬底上的非极性GaN薄膜，包括生长在LiGaO2衬底上的非极性m面GaN缓冲层及生长在非极性m面GaN缓冲层上的非极性m面GaN层；所述非极性m面GaN缓冲层是在衬底温度为220-350℃时生长的GaN膜层；所述非极性m面GaN层是在衬底温度为600-750℃时生长的GaN膜层。与现有技术相比，本实用新型具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的非极性GaN薄膜缺陷密度低、结晶质量好。
文档编号H01L33/12GK202454605SQ20122006982
公开日2012年9月26日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者李国强, 杨慧 申请人:华南理工大学