生长在LiGaO₂衬底上的非极性GaN薄膜及其制备方法、应用的制作方法

专利名称：生长在LiGaO₂衬底上的非极性GaN薄膜及其制备方法、应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及非极性GaN薄膜及其制备方法，特别涉及生长在LifeiA衬底上的非极性GaN薄膜及其制备方法、应用。
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，( 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，载流子的辐射复合效率降低，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。

发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种生长在 LifeO2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。本发明的目的之二在于提供上述非极性GaN薄膜的制备方法。本发明的目的之三在于提供上述非极性GaN薄膜的应用。本发明的目的通过以下技术方案实现生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜，包括生长在Life^2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Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤(1)选取衬底以及晶体取向采用Life^2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向0.2° ；(2)对衬底进行退火处理将衬底在900-1000°C下高温烘烤3- 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 220-3500C，反应室压力为 5-7X 10_5Pa、V / III比为 50-60、生长速度为 0. 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3-5X10_5pa、V /III比为30-40、生长速度为0. 8-1. OML/s。所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30-60nm。步骤( 所述对衬底进行表面清洁处理，具体为将Life^2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5-10分钟，去除LifeO2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Life^2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将Life^2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Life^2衬底表面残余的杂质。所述超高真空条件为压力小于6 X 10_>a。上述生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN基LED器件。上述生长在Life^2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Life^2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，本发明具有以下优点和有益效果(1)本发明使用LiGaA作为衬底，同时采用低温分子束外延技术在LiGa&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Life^2衬底上先生长一层非极性m面GaN缓冲层，在低温下能保证Life^2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LiGaA作为衬底，容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。


图1为本发明制备的生长在LiGaA衬底上的非极性GaN薄膜的截面示意图。图2为本发明制备的生长在LiGaA衬底上的非极性GaN薄膜的XRD测试图。图3为本发明制备的生长在LiGaA衬底上的非极性GaN薄膜的透射电镜图。图4为本发明制备的生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的CL (阴极射线)谱测试图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例1本实施例生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤(1)选取衬底以及晶体取向采用LiGaA衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向0.2°。(2)对衬底进行退火处理将衬底在900°C下高温烘烤3- 后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理将Life^2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5 分钟，去除Life^2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Life^2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将Life^2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LifeO2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，5X10_5Pa、V /III比为 50、生长速度为 0. 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0. 8ML/s。如图1所示，本发明制备的生长在Life^2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为本发明制备的生长在Life^2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0. 1°， 表明本发明制备的非极性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为本发明制备的生长在LifeO2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0.2°，GaN与LifeiO2衬底之间的界面清晰。0. 5nm为LifeiO2衬底沿(001)的晶格常数，0. 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) Il LiGaO2(IOO)0图4为本发明制备的生长在Life^2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，温度为涨下化谱测试得到带间激子复合发光峰为3. 48eV，表明本发明制备的非极性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Life^2衬底上的非极性m面GaN薄膜制备p-i-η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、Ιηχ(^_χΝ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；最后通过在队气氛下退火，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1 X 1019cm_3 ；InxGai_xN多量子阱层厚度约为 lOOnm，周期数为7，其中^ixGivxN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2X1016Cm_3。实施例2本实施例生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤(1)选取衬底以及晶体取向采用LiGaA衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向0.2°。(2)对衬底进行退火处理将衬底在1000°C下高温烘烤证后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理将Life^2衬底放入去离子水中室温下超声清洗10 分钟，去除LifeiA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Life^2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LifeiA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90(TC，高温烘烤30分钟，除去LifeO2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 3500C，7X 10_5Pa、V / III比为 60、生长速度为 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750°C，反应室压力为5X10_5pa、V /III比为40、生长速度为1. OML/s。利用本实施例制备的生长在Life^2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IX 1019cm_3 ；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1. 5 μ m。实施例3本实施例生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤(1)选取衬底以及晶体取向采用LiGaA衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110) 方向0.2°。(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Life^2衬底放入去离子水中室温下超声清洗8 分钟，去除Life^2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LifeiA衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LifeiA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LifeiA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，6X10_5Pa、V /III比为 55、生长速度为 0. 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4X 10_5pa、V / III比为35、生长速度为0. 9ML/s。利用本实施例制备的生长在Life^2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LxGiVxN缓冲层(χ的值在0-0. 2之间可调)、η型掺硅InxGai_xN外延层、LxGi^xN多量子阱层、Mg掺杂的ρ型hxGai_xN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 ；Ιηχ(^_χΝ多量子阱层厚度约为300nm，周期数为20，其中 In0.2Ga0.8N阱层厚度为3nm，Inatl8Giia92N垒层为IOnm ；Mg掺杂的ρ型Inx^vxN层的厚度约为 200nm，载流子浓度为2 X IO16CnT3。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.生长在LifeiA衬底上的非极性GaN薄膜，其特征在于，包括生长在LifeiA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1所述的生长在Life^2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。
3.生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)选取衬底以及晶体取向采用LifeiO2衬底，晶体取向为(100)晶面偏向(110)方向 0.2° ；(2)对衬底进行退火处理将衬底在900-1000°C下高温烘烤3- 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 5-7X10_5Pa、V /III比为 50-60、生长速度为 0. 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 3-5X10_5pa、V /III比为 30-40、生长速度为 0. 8-1. OML/s。
4.根据权利要求3所述的生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于，所述非极性m面GaN缓冲层的厚度为30-60nm。
5.根据权利要求3所述的生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于，步骤C3)所述对衬底进行表面清洁处理，具体为将LifeO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5-10分钟，去除Life^2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Life^2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将Life^2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Life^2衬底表面残余的杂质。
6.根据权利要求5所述的生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于，所述超高真空条件为压力小于6X 10_7!^。
7.权利要求1 2任一项所述的生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN 基LED器件。
8.权利要求1 2任一项所述的生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备GaN 紫外光电探测器。
9.权利要求1 2任一项所述的生长在Life^2衬底上的非极性GaN薄膜用于制备 InGaN太阳能电池器件。
全文摘要
本发明公开了生长在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。本发明还公开了上述非极性GaN薄膜的制备方法及应用。与现有技术相比，本发明具有生长工艺简单，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H01L33/32GK102544276SQ201210048780
公开日2012年7月4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