一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，所述半极性GaN薄膜包括Si衬底以及在Si衬底的(001)晶面往Si衬底的(111)晶面朝向依次外延生长的AlN薄膜层、中间层和外延层。本发明还包括该GaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：将Si衬底进行蚀刻图案处理、然后依次外延AlN层、中间层和外延层。本发明的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜及制备方法，具有质量高、性能好、成本低等优点。
【专利说明】一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半极性GaN薄膜及其制备方法，尤其是涉及一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]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，二十一世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。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。
[0003]II1-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。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。
[0004]但是，由于现在GaN基LED大都基于极性面构建而成。由于GaN沿[0001]方向即生长方向上极化的不连续，界面处形成二维的自由电子气，造成很强的内电场(量级为MV/cm)，尽管这对于某些要求高迁移率的器件是有利的[10]，但在极性面GaN上，电子与空穴质心不重合，容易形成电偶极子，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),导致能带弯曲、倾斜,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，光谱出现红移现象，这在一定程度上又限制了大功率、高效率白光LED的发展。
[0005]虽然有多种方法理论可以克服极化效应引起的量子束缚斯塔克效应，但从可行性分析来看，并非都能达到预定效果。比如用掺杂屏蔽的方法来解决极化造成的能带倾斜，由于强内电场的存在，要求载流子浓度大于1019cm-3，这显然是不可行的；也有人建议采用生长对称性高、不产生自发极化现象的立方相GaN以解决问题，但因为立方相是亚稳态，要想获得高质量的立方相GaN薄膜无疑又增大了技术难度。而非极性/半极性面氮化物薄膜因能有效避免或削弱常规极性面氮化物LED的自发极化和压电极化效应的影响，增加辐射复合的概率，大大提高器件的发光效率，越来越受科研人员的重视。目前国际上公认的最有效的方法，也就是生长非极性面或半极性面的薄膜，即通过生长出生长方向不平行于极性轴[0001]方向的薄膜，以避免或减弱薄膜自身自发极化效应的影响，而且在无剪切应力的情况下，压电效应的影响也将大为减弱。
[0006]另外，在衬底方面，通常GaN基LED制备所使用的衬底为蓝宝石以及SiC。但由于蓝宝石衬底价格较高，导致现阶段LED芯片价格处于一个较高的水平。其次，由于蓝宝石热导率低(10(TC时为25W/m.K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，降低了器件的内量子效率，从而最终影响器件的性能。对于SiC而言，虽然不存在上述的缺点，但高昂的价格制约了它的应用；另外，SiC衬底制备GaN基LED的专利只掌握在少数的外国公司手上。因此我们迫切需要寻找一种价格低廉，具有高热导率的新型衬底。
[0007]Si衬底由于具有成熟的制备工艺，高的结晶质量，以及低廉的价格，高达100W/m.K的热导率，成为了制备GaN基LED器件衬底最好的选择之一。但与GaN之间巨大的晶格失配(16.9% )及热失配(54% )，会在生长过程中产生大量的穿透位错，甚至在降温过程中产生引入张引力而产生裂纹。此外，Ga与Si之间存在的合金共熔现象也容易导致在外延过程中发生回熔刻蚀现象发生，从而导致表面出现大量回熔刻蚀坑，进而导致外延失败。以上问题也正是制约Si衬底制备LED器件的主要问题。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种采用一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜及其制备方法。
[0009]为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下:
[0010]一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，所述半极性GaN薄膜包括Si衬底以及在Si衬底的(001)晶面往Si衬底的(111)晶面朝向依次外延生长的AlN薄膜层、中间层和外延层；
[0011]所述中间层为一层高压、低V /III比的半极性GaN层；
[0012]所述外延层为一层低压、高V / III比的半极性GaN层；
[0013]所述Si衬底为图形化硅衬底，所述图形化硅衬底上设有多个间距相等、互相平行的三角形沟槽，三角形沟槽的侧面平行于Si衬底的(111)晶面，即与Si衬底的(001)晶面呈54.74°角。本发明方案中，所述高压、低V/III比优选为压力500-600torr、v / V比为500-700 ;所述低压、高V /III比优选为压力100-200torr、V / V比为2000-4000。
[0014]本发明中，优选的方案为所述图形化Si衬底上的三角形沟槽宽度为I μ m，深度为
0.707 μ m。
[0015]本发明中，优选的方案为所述的相邻三角形沟槽紧密相连。
[0016]一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，依次包括如下步骤:
[0017]a.取Si衬底，然后在Si衬底上蚀刻有多个三角形沟槽，其中三角形沟槽的侧面平行于Si衬底的{111}晶面(族)，即与Si衬底的(001)晶面呈54.74。角；
[0018]b.在经过a步骤处理的Si衬底的(001)晶面上外延生长一层AlN薄膜层；
[0019]c.在AlN薄膜层上外延生长一层高压、低V / V比的半极性GaN中间层；
[0020]d.在高压、低V / V比的半极性中间GaN层上外延生长一层低压、高V / V比的半极性GaN层。
[0021]本发明中，优选的方案为所述a、b步骤间还包括步骤al:将经过a步骤处理的Si衬底进行清洗、退火处理。
[0022]本发明中，优选的方案为al步骤中的清洗、退火工艺具体为:用去离子水清洗润洗30次；然后用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1050°C经行高温热退火。
[0023]本发明中，优选的方案为b步骤的具体工艺为:衬底温度为960_1100°C，在所述Si衬底上预铺一层Al原子层，接着通入NH3将Al原子层氮化，氮化后的AlN层上外延AlN缓冲层，其厚度为50-100nm。
[0024]本发明中，优选的方案为c步骤的具体工艺为:衬底温度为960-1000°C，反应腔压力为500-600torr，调节順3与TMGa的V / V比为500-700。通过高压，低V/III比的方式控制成核密度，使得成核区域主要集中在(111)面上。确保后续的外延面愈合后为半极性面。
[0025]本发明中，优选的方案为d步骤的具体工艺为:衬底温度为1020-1030°C，反应腔压力为100-200torr，调节順3与TMGa的V / V比为2000-4000。通过低压高V /III，高促
进GaN薄膜愈合，获得半极性面。
[0026]本发明中，优选的方案为所述外延生长所使用的镓源、铝源、氮源分别为三甲基
镓、三甲基铝、氨气。
[0027]与现有技术相比，本发明的优点是:相较于传统的(001)面难以外延单一取向的半极性GaN薄膜，本发明通过利用硅(111)面易于外延(0002)面GaN的特点，通过对硅
(111)面的偏向，使得愈合后的GaN取向为(1-101)面，为进一步实现半极性LED器件的外延奠定了基础。此外，相较于其他的利用图形化硅衬底外延半极性GaN薄膜需要蒸镀SiN、S1等掩膜，本发明则不需要该步骤，简化了工艺步骤，节约了成本。
[0028]下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1图1为本发明实例I所述图形化硅衬底的俯视示意图；
[0030]图2为本发明实例I所述图形化硅衬底的截面示意图；
[0031]图3为本发明实例I所述半极性GaN薄膜的结构示意图。
[0032]1、图形化硅衬底；11、三角形沟槽；110、第一侧面；111、第二侧面；2、AlN薄膜层；
3、中间层；4、外延层。
【具体实施方式】
[0033]实施例1
[0034]结合图1-3。一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，其特征在于:所述半极性GaN薄膜包括Si衬底I以及在Si衬底I的(001)晶面往Si衬底I的(111)晶面朝向依次外延生长的AlN薄膜层2、中间层3和外延层4 ；
[0035]所述中间层为一层高压、低V / III比的半极性GaN层；
[0036]所述外延层为一层低压、高V / III比的半极性GaN层；
[0037]所述Si衬底为图形化硅衬底1，所述图形化硅衬底上设有多个间距相等、互相平行的三角形沟槽，三角形沟槽的侧面平行于Si衬底的(111)晶面。
[0038]所述Si衬底上的三角形沟槽宽度为I μ m,深度为0.707 μ m
[0039]所述图形化Si衬底的相邻三角形沟槽紧密相连
[0040]该生长在硅衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0041]用于外延半极性面GaN薄膜的图形化硅衬底包括硅衬底本体I，在硅衬底本体表面刻蚀的三角形沟槽11，三角形沟槽包括第一侧面110和第二侧面111，其与平面的角度为54.7°。
[0042]衬底清洗以及退火处理，所述清洗及退火工艺具体过程为:采用高浓度的HF溶液(HFiH2O= 1:1)进行长时间的刻蚀；再用去离子水清洗润洗30次；最后用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1050°C经行高温热退火。
[0043]衬底温度为1100 C，在娃衬底上预铺一层Al原子层，接着通入NH3将Al原子层風化。
[0044]衬底温度为1100°C，在(3)所述的氮化后的AlN层上外延AlN缓冲层，其厚度为50nmo
[0045]衬底温度为1000°C，反应腔压力为500torr。调节NH3与TMGa的V / V比为500，
外延GaN中间层。
[0046]衬底温度为1030°C，反应腔压力为200torr。调节NH3与TMGa的V / V比为2000，
外延GaN层。
[0047]如图3所示，本实施例制备生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，包括图形化硅衬底本体1，生长在硅衬底上的AlN缓冲层2，生在AlN缓冲层上的GaN中间层3，生长在GaN中间层上的GaN薄膜4。
[0048]实施例2
[0049]一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，其特征在于:所述半极性GaN薄膜包括Si衬底以及在Si衬底的(001)晶面往Si衬底的(111)晶面朝向依次外延生长的AlN薄膜层、中间层和外延层；
[0050]所述中间层为一层高压、低V / III比的半极性GaN层；
[0051]所述外延层为一层低压、高V / III比的半极性GaN层；
[0052]所述Si衬底为图形化硅衬底，所述图形化硅衬底上蚀刻有多个间距相等、互相平行的三角形沟槽，三角形沟槽的侧面平行于Si衬底的(111)晶面。
[0053]所述Si衬底上蚀刻的三角形沟槽宽度为I μ m，深度为0.707 μ m
[0054]所述图形化Si衬底蚀刻出的相邻三角形沟槽紧密相连
[0055]该生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0056]用于外延半极性面GaN薄膜的图形化硅衬底包括硅衬底本体，在硅衬底本体表面刻蚀的三角形沟槽的两个侧面，即其与平面的角度为54.V。
[0057]衬底清洗以及退火处理，所述清洗及退火工艺具体过程为:采用高浓度的HF溶液(HFiH2O= 1:1)进行长时间的刻蚀；再用去离子水清洗润洗30次；最后用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1050°C经行高温热退火。
[0058]衬底温度为960 C，在娃衬底上了页铺一层Al原子层，接着通入NH3将Al原子层風化。[0059]衬底温度为960°C，在(3)所述的氮化后的AlN层上外延AlN缓冲层，其厚度为10nm0
[0060]衬底温度为10200°C，反应腔压力为600torr。调节NH3与TMGa的V / V比为700，
外延GaN中间层。
[0061]衬底温度为1050°C，反应腔压力为lOOtorr。调节NH3与TMGa的V / V比为4000，
外延GaN层。
[0062]上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
【权利要求】
1.一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，其特征在于:所述半极性GaN薄膜包括Si衬底以及在Si衬底的(OOl)晶面往Si衬底的(111)晶面朝向依次外延生长的AlN薄膜层、中间层和外延层； 所述中间层为一层高压、低V /III比的半极性GaN层； 所述外延层为一层低压、高V /III比的半极性GaN层； 所述Si衬底为图形化硅衬底，所述图形化硅衬底上设有间距相等、相互平行的三角形沟槽，三角形沟槽的侧面平行于Si衬底的(111)晶面。
2.根据权利要求1所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，其特征在于:所述Si衬底上的三角形沟槽宽度为I μ m,深度为0.707 μ m。
3.根据权利要求1或2所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜，其特征在于:所述图形化Si衬底的相邻三角形沟槽紧密相连。
4.根据权利要求1所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤: a.取Si衬底，然后在Si衬底上蚀刻出多个三角形沟槽，其中三角形沟槽的侧面平行于Si衬底的(111)晶面； b.在经过a步骤处理的Si衬底的(001)晶面上外延生长一层AlN薄膜层； c.在AlN薄膜层上外延生长一层高压、低V/ V比的半极性GaN中间层； d.在高压、低V/ V比的半极性GaN中间层上外延生长一层低压、高V / V比的半极性GaN 层。
5.根据权利要求4所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于所述a、b步骤间还包括步骤al:将经过a步骤处理的Si衬底进行清洗、退火处理。
6.根据权利要求5所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于al步骤中的清洗、退火工艺具体为:用去离子水清洗润洗30次；然后用氮气枪将其吹净；放入反应室内在1050°C经行高温热退火。
7.根据权利要求4所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于b步骤的具体工艺为:衬底温度为960-1100°C，在所述Si衬底上预铺一层Al原子层，接着通入见13将Al原子层氮化，氮化后的AlN层上外延AlN缓冲层，其厚度为50-100nm。
8.根据权利要求4所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于b步骤的具体工艺为:衬底温度为960-1000°C，反应腔压力为500-600torr，调节NH3与 TMGa 的 V / V 比为 500-700。
9.根据权利要求4所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于b步骤的具体工艺为:衬底温度为1020-1030°C，反应腔压力为100-200torr，调节NH3 与 TMGa 的 V / V 比为 2000-4000。
10.根据权利要求4所述的生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于:所述外延生长所使用的镓源、铝源、氮源分别为三甲基镓、三甲基铝、氨气。
【文档编号】H01L33/00GK104037291SQ201410256346
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】李国强 申请人:广州市众拓光电科技有限公司