一种在金刚石衬底上制备闪锌矿GaN薄膜的方法与流程

本发明属于gan薄膜制备技术领域，具体涉及一种在金刚石衬底上制备闪锌矿gan薄膜的方法。

背景技术：

闪锌矿gan是一种非极性结构半导体材料，不存在自发极化，因此由其制备的外延发光结构能够避免发生量子限制斯塔克效应。其次，与纤锌矿gan结构相比，闪锌矿gan结构的带隙较窄，只需要掺杂少量的铟，就能实现绿光发射，有利于解决目前全彩led中绿光光效低即“绿隙”问题。

随着gan基材料制作的光电功率器件向更小尺寸、更大输出功率和更高频率的方向发展，“热”的问题越来越突出，逐渐成为制约这种器件向更高性能提升的瓶颈。金刚石具有优异的热学性质，其热导率值达2000w/m.k。采用高热导率金刚石作为高频、大功率gan基器件的衬底或热沉，可以降低gan基大功率器件的自加热效应，并有望解决随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降的问题。2003年，felixejeckam通过将在硅衬底上生长的gan外延层转移至化学气相沉积合成的金刚石衬底上，首次实现了金刚石基氮化镓；但其使用的制备方法比较繁杂，工艺成本高。2009年，宋明等人在专利中提出了以金刚石为衬底的led结构，但他们并未提出具体的制备方法。2013年，沈阳工程学院的张东等人提出了采用电子回旋共振-等离子体增强金属有机化学气相沉积（ecr-pemocvd）系统制备inn/gan/金刚石结构。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述技术中存在的不足，提供了一种在金刚石衬底上制备闪锌矿gan薄膜的方法。

本发明由如下技术方案实现的：一种在金刚石衬底上制备闪锌矿gan薄膜的方法，先对金刚石衬底用xef2等离子体进行氟化处理，处理后的金刚石表面形成c-f键，c-f键作为形核位点；然后将金刚石衬底置于mocvd反应室内生长gan形核层，再对形核层退火处理，最后合并生长形成闪锌矿gan薄膜。

具体步骤如下：

（1）氟化处理金刚石衬底：金刚石衬底氟化处理的压力为20-100mbar，功率为100-300mw，用xef2等离子体处理150-250s；处理后金刚石表面形成c-f键，作为形核位点，使gan在金刚石表面形核；

（2）生长gan形核层：金刚石衬底放入mocvd反应室中，在1200℃的温度，120-200mbar压力下，h2气氛中进行清洗步骤10-15min；清洗后，降温至500-650℃，400-600mbar下，通入nh3和三甲基镓（tmga），v/iii比为600-800，生长时间为200-300s，获得致密形核层；

（3）退火处理：升温至1100-1200℃，300-450mbar下，nh3为退火气氛，对gan形核层进行高温退火2-6min；

（4）生长闪锌矿gan薄膜：温度1050-1150℃，压力100-150mbar下，通入nh3和tmga，v/iii比为300-800，合并生长gan薄膜，生长时间为2-3h。

本发明具有以下有益效果：

led光电器件在高功率和高频率下运行时，由散热不足会造成器件的光效降低和寿命缩短。金刚石具有高的热导率，当光电器件选用金刚石作为热沉衬底时，散热不足的问题会得以有效克服。本发明以金刚石作为热沉衬底生长闪锌矿gan薄膜，一方面为进一步制备闪锌矿gan基薄膜材料的光电器件奠定了基础，有利于解决目前全彩led中绿光光效低的问题；另一方面也解决了光电器件在高功率、高频率运作下的散热问题。

附图说明

图1为本发明金刚石衬底制备闪锌矿gan薄膜生长过程的示意图。

图2实施例1样品表面的afm像。

图3实施例1样品的x射线衍射图（xrd）。

具体实施方式

下文中，将参照附图更充分地描述本发明，附图显示了各种实施例的工艺流程，本发明可以以不同的形式来实施，不局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本发明是彻底和完全的，并将本发明充分地传达给本领域的技术人员。下面将参照附图结合实施例更具体地描述本发明。

实施例1：一种在金刚石衬底上制备闪锌矿gan薄膜的方法，先对金刚石衬底用xef2等离子体进行氟化处理，处理后的金刚石表面形成c-f键，c-f键作为形核位点；然后将金刚石衬底置于mocvd反应室内生长gan形核层，再对形核层退火处理，最后合并生长形成闪锌矿gan薄膜。具体步骤如下：

1）氟化处理金刚石衬底：对金刚石衬底进行氟化处理，氟化处理的压力设置为50mbar，功率为100mw，用xef2等离子体处理150s。

2）生长gan形核层：将金刚石衬底放入mocvd反应室中，在1200℃的温度，150mbar压力下，h2气氛中进行清洗步骤10min。清洗步骤之后，降温至500℃，400mbar压力下在金刚石衬底表面生长gan形核层，通入nh3和tmga，流量分别为20000μmol/min，30μmol/min，v/iii比为600，生长时间为200s。

3）退火处理：升温至1100℃，300mbar下对gan形核层进行高温退火4min，退火时通入的nh3流量为360000μmol/min。

4)生长闪锌矿gan薄膜：将温度控制在1050℃，100mbar下进一步合并生长gan薄膜，通入nh3和tmga的流量分别10000mol/min和26μmol/min，v/iii比为300，生长时间为2h。

对实施例1生长在金刚石上的闪锌矿gan薄膜样品分别进行了表面形貌和结构分析。图2是样品表面形貌及平整度的原子力显微像（afm），从图可以看出原子级台阶层流，反应出表面很平整，均方根粗糙度(rms)测量值仅为0.31nm。图3是样品x射线衍射仪分析图谱（xrd），从图可以看出，样品取向性好，主要以垂直于闪锌矿（200）面的方向生长，其（200）面最高半峰宽很窄，表明闪锌矿gan薄膜晶体质量很高。

实施例2：一种在金刚石衬底上制备闪锌矿gan薄膜的方法，具体步骤如下：

1）氟化处理金刚石衬底：对金刚石衬底进行氟化处理，氟化处理的压力设置为100mbar，功率为300mw，用xef2等离子体处理250s。

2）生长gan形核层：将金刚石衬底放入mocvd反应室中，在1200℃的温度，200mbar压力下，h2气氛中进行清洗步骤15min。清洗步骤之后，降温至650℃，600mbar压力下在金刚石衬底表面生长gan形核层，通入nh3和tmga的流量分别为26600μmol/min，36μmol/min，v/iii比为800，生长时间为300s。

3）退火处理：升温至1200℃，450mbar下对gan形核层进行高温退火6min，退火时通入的nh3流量为630000μmol/min。

4)生长闪锌矿gan薄膜：将温度控制在1150℃，150mbar下进一步合并生长gan薄膜，通入nh3和tmga的流量分别为20000μmol/min和30μmol/min，v/iii比为800，生长时间为2.5h。

实施例3：一种在金刚石衬底上制备闪锌矿gan薄膜的方法，具体步骤如下：

1）氟化处理金刚石衬底：对金刚石衬底进行氟化处理，氟化处理的压力设置为20mbar，功率为200mw，用xef2等离子体处理200s。

2）生长gan形核层：将金刚石衬底放入mocvd反应室中，在1200℃的温度，120mbar压力下，h2气氛中进行清洗步骤13min。清洗步骤之后，降温至550℃，500mbar压力下在金刚石衬底表面生长gan形核层，通入nh3和tmga的流量分别为23000μmol/min和33μmol/min，v/iii比为700，生长时间为250s。

3）退火处理：升温至1150℃，400mbar下对gan形核层进行高温退火2min，退火时通入的nh3流量为450000μmol/min。

4)生长闪锌矿gan薄膜：将温度控制在1100℃，130mbar下进一步合并生长gan薄膜，通入nh3和tmga的流量分别15000μmol/min和28μmol/min，v/iii比为500，生长时间为3h。