生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用
【专利摘要】本发明公开了一种生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，包括钇铝石榴石衬底和GaN薄膜；所述GaN薄膜外延生长在所述钇铝石榴石衬底上；所述钇铝石榴石衬底以(111)面偏(100)面0.5?1°为外延面，所述钇铝石榴石衬底和所述GaN薄膜的取向关系为：GaN薄膜的(0001)面平行于钇铝石榴石衬底的(111)面。该GaN薄膜的晶体质量好。本发明还公开了所述生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的制备方法，该制备方法工艺简单，制备成本低廉。另外，本发明还把所述生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜应用于LED器件、光电探测器、太阳能电池器件中。
【专利说明】
生长在紀错石溜石衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用
技术领域
[0001] 本发明设及GaN薄膜技术领域，尤其设及生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜及其 制备方法、应用。
【背景技术】
[0002] 发光二极管化抓)作为一种新型固态照明光源，W其发热量低、耗电量少、反应速 度快、寿命长、体积小等优点，被认为是21世纪的绿色照明光源。面对未来大功率照明的市 场需求，L抓要真正实现大规模广泛应用，其发光效率仍需要进一步提高。目前，L抓忍片主 要是由生长在蓝宝石衬底上GaN材料体系所制备的。但是，由于蓝宝石与GaN之间的晶格失 配高达13.3%，导致外延GaN薄膜过程中产生了密度为~IO9Cnf2的位错缺陷，从而降低了材 料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，进而影响了 GaN基器件的性能。其次，由于蓝宝石的 热导率低（lOOr时为25W/m ? K)，很难将忍片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器 件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。
[0003] 因此，寻找一种与GaN材料晶格匹配且导热性良好的衬底材料，W用于GaN薄膜的 外延生长显得十分重要。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种生长在锭侣石恼石 衬底上的GaN薄膜，该GaN薄膜的晶体质量好。
[0005] 本发明的第二个目的在于提供所述生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜的制备方 法，该制备方法工艺简单，制备成本低廉。
[0006] 本发明的第S个目的在于把所述生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜应用于LED 器件、光电探测器、太阳能电池器件中。
[0007] 本发明的第一个目的采用W下技术方案实现：
[000引生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，包括锭侣石恼石衬底和GaN薄膜;所述GaN薄 膜外延生长在所述锭侣石恼石衬底上;所述锭侣石恼石衬底W(Ill)面偏（100)面0.5-1°为 外延面，所述锭侣石恼石衬底和所述GaN薄膜的取向关系为:GaN薄膜的（OOOl)面平行于锭 侣石恼石衬底的（111)面。
[0009] 优选的，所述GaN薄膜的厚度为lOO-lOOOnm。其中，锭侣石恼石又称为Y3AI5O12,即 GaN(0001)//Y3Al5〇i2(lll)。
[0010] 本发明的第二个目的采用W下技术方案实现：
[0011] -种生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括W下步骤:采用锭侣石 恼石衬底，W锭侣石恼石衬底的（111)面偏（100)面0.5-1°为外延面，外延生长GaN薄膜;其 中，锭侣石恼石衬底和GaN薄膜的取向关系为:GaN薄膜的（OOOl)面平行于锭侣石恼石衬底 的（111)面。
[0012] 优选的，在外延生长GaN薄膜前，对锭侣石恼石衬底进行表面退火处理，具体操作 如下：将锭侣石恼石衬底放入反应室内，在800-900°C下，氮气氛围中进行原位退火处理1- 2h〇
[0013] 优选的，外延生长GaN薄膜的工艺条件为:采用脉冲激光沉积工艺，将锭侣石恼石 衬底保持在400-600°C，控制反应室的压力为1.0-6.0Xl(^3Torr、激光能量为220-300mJ、激 光频率为10-30HZ、生长速度为50-300nm/h。
[0014] 优选的，所述GaN薄膜的厚度为lOO-lOOOnm。
[0015] 相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0016] (1)本发明所提供的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，采用与GaN晶格失配度 低的锭侣石恼石作为衬底，能够有效减少位错的形成，半峰宽数值小，位错密度低，制备出 的GaN薄膜质量高，制备得到的GaN基光电材料器件的载流子福射复合效率高，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。
[0017] (2)本发明所提供的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，锭侣石恼石衬底W (111)面偏（100)面0.5-1°为外延面，其与GaN薄膜的外延取向关系为:GaN的（OOOl)面平行 于 Y3AI5O12的（111)面，即GaN(0001)//Y3Al5〇i2(m)eY3Al5〇i2(m)具有与 GaN(OOOl)相同的 六方对称性，立方相的Y3Al5〇i2(lll)的晶格参数为如,尸12.01 A，因而六方相的Y3AI5O12 (111)晶格参数ahex=氏躬A，非常接近于GaN( 111)晶格参数19 A的两倍，两者 的晶格失配度小，保证了 Y3AI5O12衬底与GaN薄膜之间的晶格匹配，有助于外延生长高质量 GaN薄膜。
[001引（3)本发明所提供的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜的制备方法，在外延生长 GaN薄膜前，对锭侣石恼石衬底进行表面退火处理，退火处理可使衬底获得原子级平整的表 面。
[0019] (4)本发明所提供的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜的制备方法，采用脉冲激 光沉积工艺制备GaN薄膜，能够为GaN在锭侣石恼石衬底上的外延生长提供足够的能量，有 利于提高GaN薄膜的质量。
[0020] (5)本发明所提供的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜的制备方法，生长工艺独 特且简单易行，具有可重复性。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明所提供的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜的截面示意图；
[0022] 图2为本发明实施例1制备的GaN薄膜(GaN(0002))的高分辨X射线衍射化RXRD)图 谱；
[0023] 图3为本发明实施例1制备的GaN薄膜(GaN(10-12))的高分辨X射线衍射化RX畑）图 谱。
【具体实施方式】
[0024] 下面，结合附图W及【具体实施方式】，对本发明做进一步描述：
[0025] 如图1所示，生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，包括锭侣石恼石衬底11和GaN薄 膜12;GaN薄膜12外延生长在锭侣石恼石衬底11上;所述锭侣石恼石衬底W(Ill)面偏（100) 面0.5-1°为外延面，锭侣石恼石衬底11和GaN薄膜12的取向关系为:GaN薄膜的（OOOl)面平 行于锭侣石恼石衬底的（111)面。
[0026] 其中，锭侣石恼石又称为Y3AI5O12,即GaN(0001)//Y3Al5〇i2(lll)。所述GaN薄膜的厚 度优选为lOO-lOOOnm。
[0027] 实施例1
[00%]生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，其制备方法包括W下步骤：
[0029] (1)衬底W及其晶向的选取:采用Y3AI5O12衬底，W(Ill)面偏（100)面0.5°为外延 面，晶体外延取向关系为:GaN的(0001)面平行于Y3AI5O12的（111)面；
[0030] (2)Y3A1s化2衬底表面退火处理，具体过程为:将Y3AI5O12衬底放入反应室内，在800 °c下氮气氛围中进行原位退火处理化，退火处理可使Y3AI5O12衬底获得原子级平整的表面；
[0031] (3)GaN薄膜的外延生长:采用脉冲激光沉积工艺，将Y3AI5O12衬底保持在400°C，在 反应室的压力为1.0X10-3Torr、激光能量为220mJ、激光频率为10化、生长速度为50nmA条 件下生长厚度为IOOnm的GaN薄膜。
[0032] 图2-3是本实施例制备的GaN薄膜的HRX畑图谱，从X射线回摆曲线中可W看到，GaN (0002)的X射线回摆曲线的半峰宽（FWHM)值低于220arcsec，GaN(10-12)的半峰宽值为 231arcsec;表明在Y3Al5〇i2(lll)衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。
[0033] 另外，对本实施例制备的GaN薄膜进行电镜扫描（SEM)，结果显示，GaN薄膜表面整 体光滑且平整，表明外延生长得到的GaN已经进入二维横向生长。
[0034] 将实施例1制备的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜用于制备LED器件:取实施 例1制备的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，在其上依次外延生长Si渗杂的n型GaN、 InxGai-xN多量子阱层、Mg渗杂的P型GaN层，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在Y3AI5O12衬底上 制备得到的GaN基L抓器件，其n型GaN的厚度约为化m，其载流子的浓度为2.0 X 10"cm-3; InxGai-xN/GaN多量子阱层的厚度约为150皿，周期数为10,其中InxGai-xN阱层的厚度为3皿， GaN垒层的厚度为12nm;p型GaN层的厚度约为300nm，其载流子的浓度为5.0Xl〇i7cm-3。在 20mA的工作电流下，L邸器件的光输出功率为4. ImW，开启电压值为2.95V，表明该L邸器件性 能优异。
[0035] 将实施例1制备的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜用于制备光电探测器:取实 施例1制备的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，在其上依次外延生长n型渗娃GaN、非渗 杂GaN、p型渗儀GaN,最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。其中n型渗娃GaN厚度约为4 Mi，其载流子的浓度为1.0 X l〇i9cm-3;非渗杂GaN厚度约为300加1，其载流子浓度为2.0 X l〇i6cnf3;p型渗儀GaN厚度约为1皿。所制备得的光电探测器在IV偏压下，暗电流仅为60pA, 并且器件在IV偏压下，在360nm处响应度的最大值达到了0.95A/W，表明该光电探测器性能 优异。
[0036] 将实施例1制备的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜用于制备InGaN太阳能电 池:取实施例1制备的生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，在其上依次外延生长具有成分 梯度的InxGai-xN缓冲层，n型渗娃InxGai-xN，InxGai-xN多量子阱层，P型渗儀InxGai-xN层，最后 电子束蒸发形成欧姆接触，其中0<x《0.2。其中，n型渗娃InxGai-xN厚度约为4WH，其载流子 的浓度为2.5 X 10"cm-3; InxGai-xN多量子阱层的厚度约为300nm，周期数为20，其中 Ino.2Ga日.8N阱层为化m，In日.日8Ga日.92N垒层为l化m。本工艺制备得到的太阳能电池室溫下的光 电转化效率为9.5%，短路光电流密度为35mA/cm2,表明该太阳能电池性能优异。
[0037] 实施例2
[0038] 生长在锭侣石恼石衬底上的GaN薄膜，其制备方法包括W下步骤：
[0039] (1)衬底W及其晶向的选取:采用Y3AI5O12衬底，W(Ill)面偏（100)面1°为外延面， 晶体外延取向关系为:GaN的(0001)面平行于Y3AI5O12的（111)面；
[0040] (2)Y3A1s化2衬底表面退火处理，具体过程为:将Y3AI5O12衬底放入反应室内，在900 °(：下氮气氛围中对Y3AI5O12衬底进行原位退火处理比，退火处理可使Y3AI5O12衬底获得原子 级平整的表面；
[0041 ] (3)GaN薄膜的外延生长:采用脉冲激光沉积工艺，将Y3AI5O12衬底保持在600°C，在 反应室的压力为6.0Xl(^3Torr、激光能量为300mJ、激光频率为30化、生长速度为300nmA条 件下生长厚度为1000 nm的GaN薄膜。
[0042] 本实施例制备的生长在Y3AI5O12衬底上的GaN薄膜具有非常好的晶体质量及光学 性能，测试数据与实施例1相近，在此不再寶述。
[0043] 对本领域的技术人员来说，可根据W上描述的技术方案W及构思，做出其它各种 相应的改变W及形变，而所有的运些改变W及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围 之内。
【主权项】
1. 生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括钇铝石榴石衬底和GaN薄膜； 所述GaN薄膜外延生长在所述钇铝石榴石衬底上;所述钇铝石榴石衬底以（111)面偏（100) 面0.5-1°为外延面，所述钇铝石榴石衬底和所述GaN薄膜的取向关系为:GaN薄膜的（0001) 面平行于钇铝石榴石衬底的（111)面。2. 根据权利要求1所述的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述GaN薄 膜的厚度为100-1000nm〇3. -种生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 采用钇铝石榴石衬底，以钇铝石榴石衬底的（111)面偏（100)面0.5-1°为外延面，外延生长 GaN薄膜;其中，纪铝石榴石衬底和GaN薄膜的取向关系为:GaN薄膜的（0001)面平行于钇铝 石榴石衬底的（111)面。4. 根据权利要求3所述的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的制备方法，其特征在 于，在外延生长GaN薄膜前，对钇铝石榴石衬底进行表面退火处理，具体操作如下:将钇铝石 榴石衬底放入反应室内，在800-900 °C下，氮气氛围中进行原位退火处理1 _2h。5. 根据权利要求3所述的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的制备方法，其特征在 于，外延生长GaN薄膜的工艺条件为：采用脉冲激光沉积工艺，将钇铝石榴石衬底保持在 400-600°C，控制反应室的压力为1.0-6.0\10_ 31'〇^、激光能量为220-30011^、激光频率为 10-30Hz、生长速度为 50-300nm/h。6. 根据权利要求3所述的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的制备方法，其特征在 于，所述GaN薄膜的厚度为100-1000nm 〇7. 权利要求1-2任意一项所述的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜在LED器件、光电 探测器、太阳能电池器件中的应用。
【文档编号】H01L21/02GK105977138SQ201610553010
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】李国强
【申请人】河源市众拓光电科技有限公司