一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，包括Si衬底、AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜，所述AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜依次生长在Si衬底上，其中，x为0-1。本实用新型利用AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层的底层作用，解决了在Si上生长GaN薄膜过程中产生大量穿透位错的问题，使得生长在Si衬底上的GaN薄膜结构更加稳定，同时，克服了热应力失配给GaN薄膜造成裂纹的技术问题。
【专利说明】一种生长在Si衬底上的GaN薄膜
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及GaN薄膜，特别是涉及一种生长在Si衬底上的GaN薄膜。
【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。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] III-族氮化物GaN(氮化镓）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，与突光灯相比，GaN基LED不含有毒的萊 元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。
[0004] 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（100°C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。
[0005] 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。这正是制约Si衬底制备LED器件的主要问题。 实用新型内容
[0006] 为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在Si衬底上的 GaN薄膜，本实用新型解决了在Si衬底上生长GaN薄膜过程中产生大量穿透位错的问题，使 得生长在Si衬底上的GaN薄膜结构更加稳定，克服了热应力失配给GaN薄膜造成裂纹的技 术问题。
[0007] 为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
[0008] -种生长在Si衬底上的GaN薄膜，包括Si衬底、A1N成核层、AlxG ai_xN步进缓冲 层、A1N插入层、GaN成核层和GaN薄膜，所述A1N成核层、Al xGai_xN步进缓冲层、A1N插入 层、GaN成核层和GaN薄膜依次生长在Si衬底上，其中，X为0-1。
[0009] 优选的，所述Si衬底以（111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(0001)晶 面平行于Si (111)晶面，所述A1N成核层生长在Si (111)晶面上。
[0010] 优选的，所述AlxGahN步进缓冲层包括Α1α756Βα25Ν步进缓冲层、Α1 α56Βα5Ν步进 缓冲层和Α1α256Βα75Ν步进缓冲层，所述Al a75Gaa25N步进缓冲层、Ala5Gaa5N步进缓冲层和 AlQ.25Gaa75N步进缓冲层从下到上依次生长在A1N成核层与A1N插入层之间。
[0011] 优选的，所述A1N成核层厚度为10?100nm，所述Α1α756&α25Ν步进缓冲层的厚度 为50?120nm，所述A1Q. 5GaQ. 5Ν步进缓冲层的厚度为100?200nm，所述Ala 25GaQ. 75Ν步进缓 冲层的厚度为150?300nm，所述的Α1Ν插入层厚度为10?50nm，所述的GaN成核层厚度 为200?500nm，所述的GaN薄膜厚度为1?2 μ m。
[0012] 相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：
[0013] 1、本头用新型利用A1N成核层、AljjGa^N步进缓冲层、A1N插入层、GaN成核层的 底层作用，解决了在上生长GaN薄膜过程中产生大量穿透位错的问题，使得生长在Si衬底 上的GaN薄膜结构更加稳定，同时，克服了温差给GaN薄膜造成裂纹的技术问题；
[0014] 2、本实用新型使用Si作为衬底，Si衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成 本；且Si的导热、导电性好，有利于将Si电子器件与GaN基电子器件以及光学元件集合在 一块芯片中和制备大功率垂直结构的LED ;
[0015] 3、本实用新型使用20?50nm厚的A1N成核层可以隔绝Si与NH3反应形成SiNji 响形核，另外能够隔绝Si与Ga直接接触，从而避免了 Si?Ga的高温共熔反应刻蚀衬底， 为接下来外延生长高质量GaN薄膜奠定基础；
[0016] 4、本实用新型使用的三层AlxGahN步进缓冲层以及A1N插入层，能够有效的缓解 因 GaN与Si之间巨大的晶格失配及热失配引起的张应力，此外还能够起到过滤穿透位错的 效果，提升GaN外延薄膜的晶体质量；相比于同样Si上采用M0CVD法外延沉积GaN外延薄 膜，能够获得高质量的GaN外延薄膜；
[0017] 5、本实用新型A1N插入层的厚度为10?50nm，能起到与AlxGai_ xN步进缓冲层相 同的作用，但能够引入更大的压应力，同时提升外延膜的质量；
[0018] 6、本实用新型中GaN成核层为进一步生长高质量的GaN外延薄膜提供成核中心， 保证后期GaN薄膜的高质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本实用新型生长在Si衬底上的GaN薄膜结构以意图；
[0020] 图2为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜GaN(0002)的高 分辨X射线衍射摇摆曲线（RCXRD)图谱；
[0021] 图3为本实用新型实施例1制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜GaN(10_12)的高 分辨X射线衍射摇摆曲线（RCXRD)图谱；
[0022] 其中，1为Si衬底，2为A1N成核层，3为Ala75Gaa25N步进缓冲层，4为Al a5GaQ.5N 步进缓冲层，5为Α1α 25Gaa 75N步进缓冲层，6为A1N插入层，7为GaN成核层，8为GaN薄膜。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0024] 如图1所示，为本实用新型生长在Si衬底上的GaN薄膜结构以意图，包括Si衬底 1、A1N成核层2、Al xGai_xN步进缓冲层、A1N插入层6、GaN成核层7和GaN薄膜8,优选方案中， AlxGai_xN步进缓冲层包括Ala 75Gaa 25N步进缓冲层3、Ala 5Gaa 5N步进缓冲层4和Ala 25Gaa 75N 步进缓冲层5,所述Si衬底1以（111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(0001)晶 面平行于31(111)晶面，所述4以成核层2生长在51衬底1(111)晶面上41 (|.756&(|.2#步进 缓冲层3、Al (l.5Ga(l.5N步进缓冲层4、Al(l. 25Ga(l.75N步进缓冲层5、AlN插入层6、GaN成核层7、 GaN薄膜8依次生长在A1N成核层2上。
[0025] 实施例1
[0026] 生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备，包括以下步骤：
[0027] (1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以（111)面为模板作为外延面，晶体外 延取向关系为：GaN的（0001)面平行于Si的（111)面，即GaN(0001)//Si(lll)。
[0028] (2)衬底清洗以及退火处理：采用高浓度的HF溶液（HF:H20 = 1:1(V:V))对Si衬 底进行长时间的超声震荡清洗；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 H2环境下进行高温退火处理，去除Si衬底表面残余0元素。
[0029] (3)A1N成核层外延生长：Si衬底温度调为1030°C，在反应室的压力为50torr ;然 后先通入TMA1，流速为20〇SCCm，铺两到三层A1原子层，隔绝Si衬底与NH3接触，防止生产 SiNx，持续1分钟，接着同时通入TMA1与NH3，NH3流量为28slm，维持V /III在1000,生长速 率2nm/min，生长60nm厚的A1N成核层。
[0030] (4)AlxGai_xN步进缓冲层的外延生长：保持Si衬底在1030°C，反应室压力为 50Torr，NH 3的流量为lOslm，TMA1的流量在250sccm条件下，改变TMGa的流量为8sccm，生 长速率3nm/min,在步骤（3)得到的A1N成核层上生长120nm厚Al a75Gaa25N步进缓冲层；接 着改变TMGa流量至26sCCm，保持其他条件不变，生长速率6nm/min，在Al a 75Ga25N步进缓冲 层上生长150nm厚Α1α56&α5Ν步进缓冲层；接着继续改变TMGa流量至7〇 SCCm，保持其他条 件不变，生长速率l〇nm/min，在AlQ.5Ga Q.5N步进缓冲层上生长300nm厚的AlQ.25Ga Q.75N步进 缓冲层。
[0031] (5)A1N插入层的外延生长：生长完AlGaN缓冲层后，Si衬底升温至1040°C，改变 TMA1流量至200sccm，改变NH3流量至28slm，反应室压力保持在50torr，生长约30nmAlN插 入层。
[0032] (6)GaN成核层的外延生长：提高反应室压力至500torr，Si衬底温度降低至 1000°C，维持V/III在3000,生长速率为0. 9ym/h，生长约200nm GaN成核层。
[0033] (7)6&"薄膜的外延生长：降低反应室压力至150如1^，51衬底温度提高至10301：， 维持V / III在4000,生长速率为3 μ m/h，生长约1. 5 μ m GaN，即得生长在Si衬底上的GaN 薄膜。
[0034] 图2?3是本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜的X射线摇摆曲线图 谱，从X射线摇摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽（FWHM)值低于 44〇31^86(：，631^(1〇-12)的半峰宽值为58〇31^86(3;表明在3丨（111)衬底上外延生长出了高 质量的GaN薄膜。
[0035] 将本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜用于制备LED :在本实施例制备的 生长在Si衬底上的GaN薄膜上依次外延生长Si掺杂的η型GaN、InxGai_ xN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Si衬底上制备得到的GaN基 LED器件，其η型GaN的厚度约为1 μ m，其载流子的浓度为4X 1018cnT3 Jr^GahN/GaN多量 子讲层的厚度约为160nm,周期数为10,其中InfahN讲层为3nm，GaN鱼层为13nm，p型掺 镁的GaN层厚度约为150nm，其载流子的浓度为3X10 17cm_3。在20mA的工作电流下，LED器 件的光输出功率为4. 02mW，开启电压值为3. 494V。
[0036] 实施例2
[0037] 生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备，包括以下步骤：
[0038] (1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以（111)面作为模板外延面，晶体外延 取向关系为：GaN的（0001)面平行于Si的（111)面，即GaN(OOOl)//Si (111)。
[0039] (2)衬底清洗以及退火处理：采用高浓度的HF溶液（HF:H20 = 1:1)对Si衬底进 行长时间的超声震荡清洗；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 H2环境下进行高温退火处理，去除Si衬底表面残余0元素。
[0040] (3)A1N成核层外延生长：Si衬底温度调为960°C，在反应室的压力为lOOtorr ;然 后先通入TMA1，流速为25〇SCCm，铺两到三层A1原子层，隔绝Si衬底与NH3接触，防止生产 SiNx，持续1分钟，接着同时通入TMA1与NH3，NH3流量为25slm，维持V /III在2000,生长速 率0. 6nm/min，生长30nm厚的A1N成核层。
[0041] (4)AlxGai_xN步进缓冲层的外延生长：保持Si衬底温度1060°C，反应室压力为 lOOTorr，NH3的流量为10slm，TMA1的流量为250sccm条件下，改变TMGa的流量为5sccm，生 长速率2. 5nm/min，在步骤（3)得到的A1N成核层上生长90nm厚Ala75Gaa25N步进缓冲层； 接着改变TMGa至2〇 SCCm，保持其他条件不变，生长速率4nm/min，在Ala 75Ga25N步进缓冲层 上生长120nm厚Ala5Gaa5N步进缓冲层；接着继续改变TMGa流量至65s CCm，保持其他条件 不变，生长速率8nm/min在Ala5Gaa5N步进缓冲层上生长200nm厚的Α1 α256%.75Ν步进缓冲 层。
[0042] (5)Α1Ν插入层的外延生长：生长完AlGaN缓冲层后，Si衬底升温至1070°C。改 变TMA1流量至150sccm，改变NH 3流量至25slm，反应室压力保持在lOOtorr，生长速率为 0. 6nm/min，在Α1α256Βα75Ν步进缓冲层上生长约10nm A1N插入层。
[0043] (6)GaN成核层的外延生长：提高反应室压力至450torr，Si衬底温度降低至 1030°C，维持V / III在3000,生长速率为0. 8 μ m/h，在A1N插入层上生长约200nm GaN成核 层。
[0044] (7)6&"薄膜的外延生长：降低反应室压力至220如1^，3丨衬底温度提高至10601：， 维持V /III在1200,生长速率为3. 5ym/h，在GaN成核层生长约1. 5μ-- GaN。
[0045] 将本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜用于制备LED :在本实施例制备的 生长在Si衬底上的GaN薄膜上依次外延生长Si掺杂的η型掺SiGaN、InxG ai_xN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Si衬底上制备得到的GaN 基LED器件，其η型GaN的厚度约为1. 5 μ m，其载流子的浓度为4X 1018cm_3 Jr^GahN/GaN 多量子阱层的厚度约为160nm，周期数为10,其中InxGai_xN阱层为3nm，GaN垒层为13nm， P型掺镁的GaN层厚度约为150nm，其载流子的浓度为3X 1017cnT3。在20mA的工作电流下， LED器件的光输出功率为3. 3mW，开启电压值为3. 18V。
[0046] 对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种 相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护 范围之内。
【权利要求】
1. 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括Si衬底、A1N成核层、AlxGahN 步进缓冲层、A1N插入层、GaN成核层和GaN薄膜，所述A1N成核层、AipahN步进缓冲层、 A1N插入层、GaN成核层和GaN薄膜依次生长在Si衬底上，其中，X为0-1。
2. 如权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述Si衬底以 (111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN(OOOl)晶面平行于Si (111)晶面，所述A1N 成核层生长在Si (111)晶面上。
3. 如权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述AlxGai_xN步进 缓冲层包括Α1 α756Βα25Ν步进缓冲层、Α1α56Βα5Ν步进缓冲层和Al a25Gaa75N步进缓冲层，所 述Α1α756αα25Ν步进缓冲层、Α1 α56Βα5Ν步进缓冲层和Α1α256Βα75Ν步进缓冲层从下到上依次 生长在Α1Ν成核层与Α1Ν插入层之间。
4. 如权利要求1所述的生长在Si衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述Α1Ν成核层厚 度为10?100nm，所述AlQ. 75GaQ.25N步进缓冲层的厚度为50?120nm，所述AlQ. 5GaQ.5N步进 缓冲层的厚度为100?200nm，所述Α1 α256&α75Ν步进缓冲层的厚度为150?300nm，所述的 A1N插入层厚度为10?50nm，所述的GaN成核层厚度为200?500nm，所述的GaN薄膜厚度 为1?2 μ m。
【文档编号】H01L33/02GK203910838SQ201420307702
【公开日】2014年10月29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