生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用

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。

说明书

技术领域

本发明涉及GaN薄膜技术领域，尤其涉及生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜及其制备方法、应用。

背景技术

发光二极管(LED)作为一种新型固态照明光源，以其发热量低、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，LED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，LED芯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～10⁹cm^-2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(100℃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，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。

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，以用于GaN薄膜的外延生长显得十分重要。

发明内容

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 长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，该GaN薄膜的晶体质量好。

本发明的第二个目的在于提供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。

本发明的第三个目的在于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。

本发明的第一个目的采用以下技术方案实现：

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。

优选的，所述GaN薄膜的厚度为100-1000nm。其中，钇铝石榴石又称为Y₃Al₅O₁₂，即GaN(0001)//Y₃Al₅O₁₂(111)。

本发明的第二个目的采用以下技术方案实现：

一种生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的制备方法，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，钇铝石榴石衬底和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。

优选的，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℃下，氮气氛围中进行原位退火处理1-2h。

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，将钇铝石榴石衬底保持在400-600℃，控制反应室的压力为1.0-6.0×10^-3Torr、激光能量为220-300mJ、激光频率为10-30Hz、生长速度为50-300nm/h。

优选的，所述GaN薄膜的厚度为100-1000nm。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，采用与GaN晶格失配度低的钇铝石榴石作为衬底，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辐射复合效率高，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。

(2)本发明所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，钇铝石榴石衬底以(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(0001)面平行于Y₃Al₅O₁₂的(111)面，即GaN(0001)//Y₃Al₅O₁₂(111)。Y₃Al₅O₁₂(111)具有与GaN(0001)相同的六方对称性，立方相的Y₃Al₅O₁₂(111)的晶格参数为因而六方相的Y₃Al₅O₁₂(111)晶格参数非常接近于GaN(111)晶格参数的两倍，两者的晶格失配度小，保证了Y₃Al₅O₁₂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。

(3)本发明所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的制 备方法，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，退火处理可使衬底获得原子级平整的表面。

(4)本发明所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的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在钇铝石榴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。

(5)本发明所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的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

图1为本发明所提供的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜的截面示意图；

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(HRXRD)图谱；

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(HRXRD)图谱。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，包括钇铝石榴石衬底11和GaN薄膜12；GaN薄膜12外延生长在钇铝石榴石衬底11上；所述钇铝石榴石衬底以(111)面偏(100)面0.5-1° 为外延面，钇铝石榴石衬底11和GaN薄膜12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。

其中，钇铝石榴石又称为Y₃Al₅O₁₂，即GaN(0001)//Y₃Al₅O₁₂(111)。所述GaN薄膜的厚度优选为100-1000nm。

实施例1

生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，其制备方法包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用Y₃Al₅O₁₂衬底，以(111)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Y₃Al₅O₁₂的(111)面；

(2)Y₃Al₅O₁₂衬底表面退火处理，具体过程为：将Y₃Al₅O₁₂衬底放入反应室内，在800℃下氮气氛围中进行原位退火处理2h，退火处理可使Y₃Al₅O₁₂衬底获得原子级平整的表面；

(3)GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积工艺，将Y₃Al₅O₁₂衬底保持在400℃，在反应室的压力为1.0×10^-3Torr、激光能量为220mJ、激光频率为10Hz、生长速度为50nm/h条件下生长厚度为100nm的GaN薄膜。

图2-3是本实施例制备的GaN薄膜的HRXRD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220arcsec，GaN(10-12)的半峰宽值为231arcsec；表明在Y₃Al₅O₁₂(111)衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。

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。

将实施例1制备的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜用于制备LED器件：取实施例1制备的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，在其上依次外延生长Si掺杂的n型GaN、In_xGa_1-xN多量子阱层、Mg掺杂的p型GaN层，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在Y₃Al₅O₁₂衬底上制备得到的GaN基LED器件，其n型GaN的厚度约为3μm，其载流子的浓度为2.0×10¹⁹cm^-3；In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层的厚度约为150nm,周期数为10，其中In_xGa_1-xN阱层的厚度为3nm，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5.0×10¹⁷cm^-3。在20mA的工作电流下，LED器件的光输出功率为4.1mW，开启电压值为2.95V，表明该LED器件性能优异。

将实施例1制备的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜用于制备光电探测器：取实施例1制备的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，在其上依次外延生长n型掺硅GaN、非掺杂GaN、p型掺镁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4μm,其载流子的浓度为1.0×10¹⁹cm^-3；非掺杂GaN厚度约为300nm,其载流子浓度为2.0×10¹⁶cm^-3；p型掺镁GaN厚度约为1μm。所制备得的光电探测器在1V偏压下，暗电流仅为60pA,并且器件在1V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。

将实施例1制备的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜用于制备InGaN太阳能电池：取实施例1制备的生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，在其上依次外延生长具有成分梯度的In_xGa_1-xN缓冲层，n型掺硅In_xGa_1-xN，In_xGa_1-xN多量子阱层，p型掺镁In_xGa_1-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In_xGa_1-xN厚度约为4μm，其载流子的浓度为2.5×10¹⁹cm^-3；In_xGa_1-xN多量子阱层的厚度约为300nm,周期数为20，其中In_0.2Ga_0.8N阱层为3nm，In_0.08Ga_0.92N垒层为12nm。本工艺制备得到的太阳能电池室温下的光电转化效率为9.5％，短路光电流密度为35mA/cm²，表明该太阳能电池性能优异。

实施例2

生长在钇铝石榴石衬底上的GaN薄膜，其制备方法包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用Y₃Al₅O₁₂衬底，以(111)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Y₃Al₅O₁₂的(111)面；

(2)Y₃Al₅O₁₂衬底表面退火处理，具体过程为：将Y₃Al₅O₁₂衬底放入反应室内，在900℃下氮气氛围中对Y₃Al₅O₁₂衬底进行原位退火处理1h，退火处理可使Y₃Al₅O₁₂衬底获得原子级平整的表面；

(3)GaN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积工艺，将Y₃Al₅O₁₂衬底保持在600℃，在反应室的压力为6.0×10^-3Torr、激光能量为 300mJ、激光频率为30Hz、生长速度为300nm/h条件下生长厚度为1000nm的GaN薄膜。

本实施例制备的生长在Y₃Al₅O₁₂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，在此不再赘述。

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发明权利要求的保护范围之内。