生长在W衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了生长在W衬底上的GaN薄膜，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜；所述AlN缓冲层为在400～500℃生长的AlN缓冲层；所述GaN薄膜为在700～800℃生长的GaN薄膜。本发明专利技术还公开了上述生长在W衬底上的GaN薄膜的制备方法及应用。本发明专利技术制备的生长在W衬底上的GaN薄膜，具有位错密度低、晶体质量好的优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了生长在W衬底上的GaN薄膜，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜；所述AlN缓冲层为在400～500℃生长的AlN缓冲层；所述GaN薄膜为在700～800℃生长的GaN薄膜。本专利技术还公开了上述生长在W衬底上的GaN薄膜的制备方法及应用。本专利技术制备的生长在W衬底上的GaN薄膜，具有位错密度低、晶体质量好的优点。【专利说明】生长在W衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用
本专利技术涉及GaN薄膜及其制备方法，特别涉及一种生长在W衬底上的GaN薄膜及 其制备方法。
技术介绍
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。 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。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，一个主要原因是其蓝宝石衬 底与外延层失配大、热导率差。由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达17%，导致外延GaN薄膜 过程中形成很高的位错密度，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，由于室温下蓝宝石热膨胀系数（6. 63X 10_6/K)较GaN的热 膨胀系数（5. 6ΧΚΓ7Κ)大，两者间的热失配度约为-18. 4%，当外延层生长结束后，器件从 外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。再次， 由于蓝宝石的热导率低（l〇〇°C时为0. 25W/cmK)，很难将芯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。此外，由于蓝宝石是绝缘体，不 能制作垂直结构半导体器件。因此电流在器件中存在横向流动，导致电流分布不均匀，产生 较多热量，很大程度上影响了 GaN基LED器件的电学和光学性质。 因此迫切需要寻找一种热导率高、可以快速地将LED结区的热量传递出来的材料 作为衬底。而金属W作为外延氮化物的衬底材料，具有三大其独特的优势。第一，金属W有 很高的热导率，W的热导率为1. 74W/cmK，可以将LED芯片内产生的热量及时的传导出，降低 器件结区温度，一方面提高器件的内量子效率，另一方面有助于解决器件散热问题。第二， 金属W可以作为生长GaN基垂直结构的LED器件的衬底材料，可直接在衬底上镀阴极材料， P-GaN上镀阳极材料，使得电流几乎全部垂直流过GaN-基的外延层，因而电阻下降，没有电 流拥挤，电流分布均匀，电流产生的热量减小，对器件的散热有利；另外，可以将阴极材料直 接镀在金属衬底上，不需要通过腐蚀P-GaN层和有源层将电极连在N-GaN层，这样充分利用 了有源层的材料。第三，金属W衬底材料相对其他衬底，价格更便宜，可以极大地降低器件 的制造成本。正因为上述诸多优势，金属衬底现已被尝试用作III族氮化物外延生长的衬 底材料。 但是金属W衬底在高温下化学性质不稳定，当外延温度高于600°C的时候，外延氮 化物会与金属衬底之间发生界面反应，严重影响了外延薄膜生长的质量。III族氮化物外延 生长的先驱研究者、著名科学家Akasaki等人就曾尝试应用传统的M0CVD或者MBE技术直 接在化学性质多变的衬底材料上外延生长氮化物，结果发现薄膜在高温下外延相当困难。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的之一在于提供一种生长在W 衬底上的GaN薄膜，具有位错密度低、晶体质量好的优点。 本专利技术的目的之二在于提供生长在W衬底上的GaN薄膜的制备方法。 本专利技术的目的之三在于提供生长在W衬底上的GaN薄膜的应用。 本专利技术的目的通过以下技术方案实现： 生长在W衬底上的GaN薄膜，包括生长在W衬底上的A1N缓冲层，生长在A1N缓冲 层上的GaN薄膜；所述A1N缓冲层为在400?500°C生长的A1N缓冲层；所述GaN薄膜为在 700?800°C生长的GaN薄膜。 所述W衬底以（110)面为外延面。 所述A1N缓冲层的厚度为80?100nm。 生长在W衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤： (1)衬底以及其晶向的选取：采用W衬底的（110)面为外延面，晶体外延取向关 系41叫11-20]//1;金属1(110)衬底与41叭0001)间的晶格失配度低达2.6%，保证 了衬底与外延之间的晶格匹配；由于GaN与W晶格适配大，很难在金属W衬底上直接外延出 高质量的GaN薄膜，因而需要通过晶体外延取向关系：AlN//W生长A1N缓冲 层后再生长GaN薄膜。 (2)对衬底进行表面抛光、清洗以及退火处理； (3)A1N缓冲层的外延生长：温度为400?500°C、反应室压力为1?3Xl(T5Torr、 V / III比为50?60、生长速度为0. 4?0. 6ML/S ;用KrF准分子激光烧蚀A1N靶材，在W衬 底上生长A1N缓冲层；退火处理可使衬底获得原子级平整的表面。 (4)GaN薄膜的外延生长：衬底温度为700?800°C，在反应室压力为3? 4X l(T5Torr、V / III值40?60、生长速度0. 8?1. OML/s条件下，生长GaN薄膜。已经指 出，金属W衬底在高温下不稳定，过高的衬底温度会使衬底与外延层发生剧烈的化学反应， 形成一定厚度的金属氮化物的非晶或多晶界面反应层，使接下来生长的氮化物也多为非晶 或多晶薄膜，且表面粗糙，结晶质量差，从而影响GaN外延薄膜的生长；而过低的衬底温度 又不能为薄膜的形核提供足够的生长动力，使外本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在W衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括生长在W衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN薄膜；所述AlN缓冲层为在400～500℃生长的AlN缓冲层；所述GaN薄膜为在700～800℃生长的GaN薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，王文樑，刘作莲，杨为家，林云昊，周仕忠，钱慧荣，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44