生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制作方法

文档序号:11487454阅读:327来源:国知局
生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制造方法与工艺

本实用新型涉及GaN薄膜,特别涉及生长在玻璃衬底上的GaN薄膜。



背景技术:

发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源,具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点,在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。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。但是现阶段LED的应用成本较高,发光效率较低,这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。

III族氮化物GaN在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质,近几年受到广泛关注。GaN是直接带隙材料,且声波传输速度快,化学和热稳定性好,热导率高,热膨胀系数低,击穿介电强度高,是制造高效的LED器件的理想材料。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。

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,同时降低LED芯片的价格。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(150lm/W),单位流明/瓦的价格偏高。目前大多数GaN基LED都是基于蓝宝石和SiC衬底上进行外延生长,大尺寸的蓝宝石和SiC衬底价格昂贵,导致LED制造成本高。因此迫切寻找一种价格低廉的衬底材料应用于外延生长GaN薄膜。



技术实现要素:

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玻璃衬底上的GaN薄膜,缺陷密度低、结晶质量好,电学、光学性能好。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现:

生长在玻璃衬底上的GaN薄膜,包括生长在玻璃衬底上的铝金属层,生长在铝金属层上的银金属层,生长在银金属层上的AlN缓冲层,生长在AlN缓冲层上的GaN缓冲层,生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。

所述铝金属层的厚度为150~200μm。

所述银金属层厚度为100~300nm。

所述AlN缓冲层厚度为5~50nm。

所述GaN缓冲层的厚度为50~80nm。

所述GaN薄膜的度为200~300nm。

所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法,包括以下步骤:

(1)对玻璃衬底表面进行抛光、清洗;

(2)铝金属层的生长:在分子束外延系统中,在衬底温度为400~600℃条件下,沉积厚度为150~200μm的铝金属层;

(3)银金属层的生长:在分子束外延系统中,采用分子束外延系统中的电子束蒸发功能,在衬底温度为400~600℃条件下,在得到的铝金属层上沉积银金属层;

(4)AlN缓冲层的生长:衬底温度为450~550℃,在反应室的压力为4.0~7.2×10-5Pa、生长速度为0.2~0.8ML/s的条件下,在银金属层上沉积金属铝薄膜,然后采用氮等离体子源对该金属铝薄膜进行氮化,等离体子源的功率为300~450W,氮气流量为1~5sccm,氮化时间为10~50分钟,获得AlN薄膜;

(5)GaN缓冲层外延生长:衬底温度为450~550℃,在反应室的压力为6.0~7.2×10-5Pa、束流比V/III值为50~60、生长速度为0.4~0.6ML/s的条件下,在AlN缓冲层上生长GaN缓冲层;

(6)GaN薄膜的外延生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为500~600℃,在反应室的压力为4.0~5.0×10-5Pa、束流比V/III值为30~40、生长速度为0.6~0.8ML/s条件下,在GaN缓冲层上生长GaN薄膜。

步骤(1)所述抛光,具体为:

首先将玻璃衬底表面用金刚石泥浆进行抛光,配合光学显微镜观察衬底表面,直到没有划痕后,再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。

步骤(1)所述清洗,具体为:

将玻璃衬底放入去离子水中室温下超声清洗3~5分钟,去除玻璃衬底表面粘污颗粒,再依次经过丙酮、乙醇洗涤,去除表面有机物,用干燥氮气吹干。

与现有技术相比,本实用新型具有以下优点和有益效果:

(1)本实用新型能有效的减少位错的形成,制备出高质量GaN薄膜,有利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性能。

(2)本实用新型的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜,在进行玻璃衬底去除之后,铝金属层具有作为支撑层、导电、导热的功能;银金属层具有光线发射的功能。在预先沉积铝金属、银金属层上进行GaN薄膜的生长,为制备低成本、高导热、高导电、高发光性能光电器件奠定了基础。

(3)本实用新型使用玻璃作为衬底,玻璃衬底容易获得,价格便宜,有利于降低生产成本。

(4)本实用新型的银金属层可作为反射镜,如果采用该GaN制备发光器件,可大幅度提高发光效率;如果采用该GaN制备太阳电池,可提高光吸收率,提高太阳电池的光电转换效率。

附图说明

图1是实施例1制备的GaN的截面示意图。

图2是实施例1制备的GaN薄膜(0002)的XRD图谱。

图3是实施例1制备的GaN薄膜(10-12)的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合实施例,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1

如图1所示,本实施例的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜,包括生长在玻璃衬底10上的铝金属层11,生长在铝金属层上的银金属层12,生长在银金属层12上的AlN缓冲层13,生长在AlN缓冲层13上的GaN缓冲层14,生长在GaN缓冲层14上的GaN薄膜15。

本实施例的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底的选取:采用普通玻璃衬底;

(2)衬底表面抛光、清洗处理;

所述衬底表面抛光,具体为:

首先将玻璃衬底表面用金刚石泥浆进行抛光,配合光学显微镜观察衬底表面,直到没有划痕后,再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理;

所述清洗,具体为:

将玻璃衬底放入去离子水中室温下超声清洗3分钟,去除玻璃衬底表面粘污颗粒,再依次经过丙酮、乙醇洗涤,去除表面有机物,用高纯干燥氮气吹干;

(3)铝金属层的生长:在分子束外延系统中,在衬底温度为400℃条件下,沉积厚度为150μm的铝层;

(4)银金属层的生长:在分子束外延系统中,采用分子束外延系统中的电子束蒸发功能,在衬底温度为400℃条件下,在铝金属层上沉积厚度为100nm厚度的银金属层;

(5)AlN缓冲层的生长:衬底温度为500℃,在反应室的压力为4.0×10-5Pa、生长速度为0.2ML/s的条件下,在银金属层上沉积厚度为10nm的金属铝薄膜,然后采用氮等离体子源对该金属铝薄膜进行氮化,氮等离体子源的功率为300W,氮气流量为1.5sccm,氮化时间为10分钟,获得AlN薄膜;

(6)GaN缓冲层外延生长:衬底温度为500℃,在反应室的压力为6.0×10-5Pa、束流比V/III值为50、生长速度为0.4ML/s的条件下,在AlN缓冲层上生长厚度为50nm的GaN缓冲层;

(7)GaN薄膜的外延生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为500℃,在反应室的压力为4.0×10-5Pa、束流比V/III值为30、生长速度0.6ML/s条件下,在得到的GaN缓冲层上生长厚度为200nm的GaN薄膜。

图2、3是本实施例制备的GaN薄膜的XRD图谱,从X射线回摆曲线中可以看到,GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于231.1arcsec,GaN(10-12)的半峰宽值为253.2arcsec;表明在玻璃衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。

将本实施例制备的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜用于制备LED:在本实施例制备的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜上依次外延生长Si掺杂的n型掺硅GaN、InxGa1-xN/GaN多量子阱层、Mg掺杂的p型掺镁的GaN层,最后电子束蒸发形成欧姆接触。在玻璃衬底上制备得到的GaN基LED器件,其n型GaN的厚度约为5μm,其载流子的浓度为1×1019cm-3;InxGa1-xN/GaN多量子阱层的厚度约为160nm,周期数为10,其中InxGa1-xN阱层为3nm,GaN垒层为13nm,p型掺镁的GaN层厚度约为300nm,其载流子的浓度为3×1017cm-3。在20mA的工作电流下,LED器件的光输出功率为4.3mW,开启电压值为3.18V。

将本实施例制备的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜用于制备光电探测器:在本实施例制备的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜上依次外延生长n型掺硅GaN、非掺杂GaN、p型掺镁的GaN,最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中n型掺硅GaN厚度约为3μm,其载流子的浓度为1×1019cm-3;非掺杂GaN厚度约为200nm,其载流子浓度为2.2×1016cm-3;p型掺镁的GaN厚度约为1.5μm。本实施例所制备的光电探测器在1V偏压下,暗电流仅为65pA,并且器件在1V偏压下,在361nm处响应度的最大值达到了0.92A/W。

将本实施例制备的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜用于制备InGaN太阳能电池:在本实施例制备的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜上依次生长具有成分梯度的InxGa1-xN缓冲层,n型掺硅InxGa1-xN,InxGa1-xN多量子阱层,p型掺镁的InxGa1-xN层,最后电子束蒸发形成欧姆接触,其中0<x≤0.2。其中,n型掺硅InxGa1-xN厚度约为5μm,其载流子的浓度为1×1019cm-3;InxGa1-xN多量子阱层,厚度约为300nm,周期数为20,其中In0.2Ga0.8N阱层为3nm,In0.08Ga0.92N垒层为10nm。本工艺制备得到的太阳能电池室温下的光电转化效率为9.1%,短路光电流密度为35mA/cm2

实施例2

本实施例的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底的选取:采用普通玻璃衬底;

(2)衬底表面抛光、清洗处理;

所述衬底表面抛光,具体为:

首先将玻璃衬底表面用金刚石泥浆进行抛光,配合光学显微镜观察衬底表面,直到没有划痕后,再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理;

所述清洗,具体为:

将玻璃衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟,去除玻璃衬底表面粘污颗粒,再依次经过丙酮、乙醇洗涤,去除表面有机物,用高纯干燥氮气吹干;

(3)铝金属层的生长:在分子束外延系统中,在衬底温度为600℃条件下,沉积厚度为200μm的铝金属层;

(4)银金属层的生长:在分子束外延系统中,采用分子束外延系统中的电子束蒸发功能,在衬底温度为600℃条件下,在铝金属层上沉积厚度为300nm厚度的银金属层;

(5)AlN缓冲层的生长:衬底温度为550℃,在反应室的压力为7.2×10-5Pa、生长速度为0.2ML/s的条件下,在银金属层上沉积厚度为20nm的金属铝薄膜,然后采用氮等离体子源对该金属铝薄膜进行氮化,氮等离体子功率为300W,氮气流量为1.5sccm,氮化时间为20分钟,获得AlN薄膜;

(6)GaN缓冲层外延生长:衬底温度为550℃,在反应室的压力为5.0×10-5Pa、束流比V/III值为50、生长速度为0.4ML/s的条件下,在AlN缓冲层生长厚度为50nm的GaN缓冲层;

(7)GaN薄膜的外延生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为600℃,在反应室的压力为4.0×10-5Pa、束流比V/III值为30、生长速度0.6ML/s条件下,在GaN缓冲层上生长厚度为200nm的GaN薄膜。

本实施例制备的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜测试结果与实施例相似,在此不再赘述。

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。

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