專利名稱：一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaN薄膜領(lǐng)域，具體涉及ー種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
III族氮化鎵多元系材料屬于直接帶隙的半導(dǎo)體材料，帶隙可以從0. 7eV連續(xù)調(diào)節(jié)到6. 2eV，顏色覆蓋從紅外到紫外波長(zhǎng)，在光電子如藍(lán)光、綠光、紫外光發(fā)光二極管(LED)、短波長(zhǎng)激光二極管(LD)、紫外探測(cè)器、布拉格反射波導(dǎo)等方面具有重要的應(yīng)用和發(fā)展。另外GaN作為第三代半導(dǎo)體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)和高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在微電子應(yīng)用方面也得到了廣泛的關(guān)注。自1. Akasaki首次成功獲得p-GaN，實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LED的新突破后，GaN基化合物半導(dǎo)體一直備受關(guān)注，在室內(nèi)照明、商業(yè)照明、工程照明等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高質(zhì)量GaN材料一般都通過(guò)異質(zhì)外延方法制作。襯底的選擇對(duì)外延生長(zhǎng)GaN材料的質(zhì)量影響很大，一般需要遵循晶格常數(shù)匹配、熱膨脹系數(shù)匹配、價(jià)格適宜等原則。不同襯底材料對(duì)GaN基LED器件的制備エ藝也有非常重要的影響。譬如由于GaN晶體存在著自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，不同的襯底會(huì)使所獲得的材料表現(xiàn)出不同的極化特性。此外，由于不同材料價(jià)格差異較大，襯底材料的不同還會(huì)使LED的成本產(chǎn)生較大的差別。由此可見(jiàn)，GaN基LED襯底材料的選擇至關(guān)重要。 作為常用于生長(zhǎng)GaN的襯底，藍(lán)寶石、SiC、Si目前都已實(shí)現(xiàn)器件級(jí)LED的制備，但各自襯底材料所帯來(lái)的外延層生長(zhǎng)問(wèn)題，還需要不斷攻克。藍(lán)寶石有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，但它與GaN間存在很大的晶格失配(16%)及熱應(yīng)カ失配(25%)，造成生長(zhǎng)的GaN外延層質(zhì)量較差。同時(shí)它導(dǎo)熱性能差，這也嚴(yán)重制約著藍(lán)寶石襯底大功率LED的發(fā)展。SiC雖然與GaN的晶格失配度僅3. 5%，導(dǎo)熱率較高，但它的熱應(yīng)カ失配與藍(lán)寶石相當(dāng)(25. 6%)，與GaN的潤(rùn)濕性較差，價(jià)格昂貴。Si襯底具有成本低、單晶尺寸大且質(zhì)量高、導(dǎo)熱率高、導(dǎo)電性能良好等諸多特點(diǎn)，且Si的微電子技術(shù)十分成熟，因此Si襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成。正是因?yàn)镾i襯底的上述諸多優(yōu)點(diǎn)，Si襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜進(jìn)而制備LED越來(lái)越備受關(guān)注。但是，目前在Si襯底上制備GaN單晶薄膜的質(zhì)量不如藍(lán)寶石襯底，主要原因是一、Si與GaN熱膨脹失配遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于藍(lán)寶石，導(dǎo)致外延片更易于龜裂；ニ、Si襯底遇活性N在界面處易形成無(wú)定形的SixNy,影響GaN的生長(zhǎng)質(zhì)量；三、Si對(duì)可見(jiàn)光的吸收作用也會(huì)大大降低LED發(fā)光效率。由此可見(jiàn)，即便Si襯底具有成本低、散熱好，且方便制成垂直器件等優(yōu)點(diǎn)，具有非常良好的發(fā)展前景，但要在Si襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN薄膜，需要尋找Si襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜的新方法及エ藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法，該制備方法獨(dú)特而易行，具有可重復(fù)性，制得的GaN薄膜的缺陷密度低、晶體質(zhì)量高、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于包括Si襯底層、生長(zhǎng)在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層、生長(zhǎng)在Al2O3保護(hù)層上的GaN薄膜層。本發(fā)明先在Si襯底層上生長(zhǎng)Al2O3保護(hù)層，之后再生長(zhǎng)GaN薄膜層，Al2O3保護(hù)層能夠有效防止Si襯底的界面處與活性N反應(yīng)形成無(wú)定形的SixNy,從而避免了 SixNy層對(duì)GaN生長(zhǎng)質(zhì)量的影響，獲得高質(zhì)量的GaN薄膜。另夕卜，Al2O3保護(hù)層能夠緩解Si襯底與GaN間巨大的熱應(yīng)カ失配(114%)，同時(shí)防止Si擴(kuò)散到GaN 中。優(yōu)選地，所述Al2O3保護(hù)層的厚度為3 — 5nm。一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括選取Si襯底；選取Si襯底的(111)晶面鍍上ー層Al層，然后通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層；再在Al2O3保護(hù)層上生長(zhǎng)GaN薄膜層。優(yōu)選地，采用分子束外延生長(zhǎng)法在Si (111)晶面上鍍厚度為3 — 5nm的Al層，Si襯底為800 — 900°C時(shí)通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層，保溫。優(yōu)選地，采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在Al2O3保護(hù)層上生長(zhǎng)GaN薄膜層，襯底溫度為600 - 700°C，反應(yīng)室壓カ為3 - 4X10 —1VTorr、V /III比為30 — 40、生長(zhǎng)速度為0. 8 —1.lML/s，GaN薄膜層生長(zhǎng)后，保溫25 — 35分鐘，溫度為650 — 750°C。優(yōu)選地，在鍍上Al層之前，先對(duì)Si襯底依次進(jìn)行拋光處理、表面清潔處理、退火處理。優(yōu)選地，拋光處理是用金剛石對(duì)Si襯底表面進(jìn)行拋光，用光學(xué)顯微鏡觀察Si襯底表面沒(méi)有劃痕后，再采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)Si襯底進(jìn)行拋光。優(yōu)選地，所述表面清潔處理方法為將Si襯底放入丙酮溶液中超聲處理，然后用去離子水清洗；接著在異丙酮溶液中超聲處理；再在氫氟酸溶液中浸泡；然后放入去離子水中浸泡；最后在硫酸和雙氧水的混合溶液中浸泡，再經(jīng)氫氟酸浸泡，然后用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?，存放于氮?dú)夤裰小?yōu)選地，退火處理是將Si襯底放在壓強(qiáng)為2 X 10 — 10Torr的超高真空的生長(zhǎng)室內(nèi)，在900 — 1000°C下高溫烘烤3 — 5 h以除去Si襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜能夠用于LED器件中或太陽(yáng)能電池中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1、選取Si襯底，先在Si襯底層上生長(zhǎng)Al2O3保護(hù)層，之后再生長(zhǎng)GaN薄膜層，Al2O3保護(hù)層能夠有效防止Si襯底的界面處與活性N反應(yīng)形成無(wú)定形的SixNy,從而避免了 SixNy層對(duì)GaN生長(zhǎng)質(zhì)量的影響，獲得高質(zhì)量的GaN薄膜。另外，Al2O3保護(hù)層能夠緩解Si襯底與GaN間巨大的熱應(yīng)カ失配(114%)，同時(shí)防止Si擴(kuò)散到GaN中。2、采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在低溫條件下生長(zhǎng)GaN薄膜層，通過(guò)降低生長(zhǎng)溫度，有效抵制了傳統(tǒng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積エ藝(MOCVD)高溫生長(zhǎng)氮化物(一般都在1000°C以上)對(duì)襯底與GaN的晶格失配度的放大作用，降低氮化物薄膜的缺陷密度。3、本發(fā)明采用Si襯底，其散熱好、價(jià)格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本。綜上所述，本發(fā)明的生長(zhǎng)エ藝獨(dú)特而易行，具有可重復(fù)性，外延生長(zhǎng)的GaN薄膜缺陷密度低、晶體質(zhì)量高，電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異。


圖1為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的X射線面掃描圖譜；
圖3為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜應(yīng)用在LED器件中的示意 圖4為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1
請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜包括Si襯底層11、生長(zhǎng)在Si襯底層11上的Al2O3保護(hù)層12、生長(zhǎng)在Al2O3保護(hù)層12上的GaN薄膜層13。上述生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜采用如下方法獲得選取Si襯底；選取Si襯底的(111)晶面鍍上ー層Al層，然后通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層；再在Al2O3保護(hù)層上生長(zhǎng)GaN薄膜層。具體過(guò)程如下
(I)選用Si襯底，選擇晶體取向?yàn)?111)晶面。(2)采用分子束外延生長(zhǎng)法在Si (111)上鍍ー層Al層，在襯底溫度為800 一 900°C時(shí)通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層,保溫30min。(3)采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在Al2O3保護(hù)層上生長(zhǎng)GaN薄膜層用靶材
Ga和工作壓カ為L(zhǎng)5 — 2. OX 10 ^ 6Torr的N2射頻等離子體自由基發(fā)生器在Al2O3保護(hù)層上反應(yīng)生長(zhǎng)GaN薄膜層，エ藝條件為襯底溫度為600 — 700°C,反應(yīng)室壓カ為3 —4X10 —lclmTorr、V /III比為 30 — 40、生長(zhǎng)速度為 0.8—1. lML/s。(4)保溫 25 — 35 分鐘，溫度為 650 — 750°C。優(yōu)選方案中，所述GaN薄膜層為單晶薄膜。優(yōu)選方案中，Al2O3保護(hù)層的厚度為3 — 5nm，具體操作方法是步聚(2)
在Si (111)上鍍厚度為3 — 5nm的Al層，在襯底溫度為800 — 900°C時(shí)通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層,保溫30min。實(shí)施例2
本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，不同之處在于在鍍上Al層之前，先對(duì)Si襯底依次進(jìn)行拋光處理、表面清潔處理、退火處理，具體操作方法如下
拋光處理用金剛石對(duì)Si襯底表面進(jìn)行拋光，用光學(xué)顯微鏡觀察Si襯底表面沒(méi)有劃痕后，再采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)Si襯底進(jìn)行拋光。表面清潔處理將裝有Si襯底的卡槽放入洗凈的方樽中，加入去離子水和已配好的丙酮直至溶液完全浸沒(méi)Si襯底，超聲5 — 10分鐘；將方樽放入超聲槽內(nèi)，加入去離子水直至水的液面略低于方樽，進(jìn)行超聲清洗5 — 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲后的方樽取出，用去離子水清洗2 — 3適，直至將丙酮洗浄；向方樽里注入異丙酮溶液，超聲5 一 10分鐘；將方樽放入超聲槽內(nèi)，加入異丙酮直至溶液的液面略低于方樽，進(jìn)行超聲清洗5 — 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲后的方樽取出，用去異丙酮溶液清洗2 — 3遍；向方樽里加入去離子水，直至浸沒(méi)Si襯底，再將其放入超聲槽內(nèi)清洗5 — 10分鐘；取出方樽，再取出方樽里的卡槽，向方樽里注入氫氟酸和水直至其液面高度略小于或等于Si襯底的直徑；用聚四氟こ烯的夾子將Si襯底立于方樽內(nèi)，將Si襯底從氫氟酸溶液中取出，放入去離子水中浸泡I 一 2分鐘；配制濃硫酸雙氧水=4:1的溶液于方樽中，加入等量的去離子水，將Si襯底從氫氟酸中取出并放入硫酸雙氧水中5 — 7分鐘；再次將Si襯底放入氫氟酸中I 一 2分鐘，電子級(jí)氫氟酸水=1:10 ;用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?，放入氮?dú)饩?。退火處理將Si襯底放在壓強(qiáng)為2X10 —ltlTorr的超高真空的生長(zhǎng)室內(nèi)，在900-1000°C下高溫烘烤3 — 5 h以除去Si襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。
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請(qǐng)參照?qǐng)D2，從X射線面掃描圖譜中可以看到，GaN薄膜層在使用Al2O3保護(hù)層作為保護(hù)的條件下在Si襯底外延生長(zhǎng)，外延關(guān)系為GaN(0002)// Al2O3 (0006)//Si (111)。實(shí)施例3本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜在LED器件中的應(yīng)用
請(qǐng)參照?qǐng)D3，將實(shí)施例2獲得的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜應(yīng)用在LED器件中，方法是在Si (111)晶面上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的Al2O3保護(hù)層，再在Al2O3保護(hù)層上外延生長(zhǎng)GaN單晶薄膜，形成了 GaN單晶薄膜層10后，依次生長(zhǎng)高質(zhì)量的n型摻硅GaN外延層ll、InxGai_xN多量子阱層12，p型摻鎂GaN層13，獲得含長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的電器元件，具體過(guò)程如下在GaN單晶薄膜層10上生長(zhǎng)n型摻硅GaN外延層11，其厚度約為5 y m，其載流子的濃度為I X IO19CnT 3。接著生長(zhǎng)InxGahN多量子阱層12，厚度約為112 nm,周期數(shù)為7,其中InxGa^xN講層為3 nm,魚(yú)層為13 nm,0<x<l。之后再生長(zhǎng)Mg摻雜的p型摻鎂GaN層13,厚度約為350 nm,其載流子濃度為2 X 1016cm_3。最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在此基礎(chǔ)上通過(guò)在N2氣氛下退火，提高了 p型摻鎂GaN層13的載流子濃度和遷移率。獲得的含長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的電器元件應(yīng)用在LED器件中，能夠提高LED器件的發(fā)光效率和散熱效率。實(shí)施例4本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用
請(qǐng)參照?qǐng)D4，將實(shí)施例2獲得的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中，方法是在Si(Ill)晶面上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的Al2O3保護(hù)層，再在Al2O3保護(hù)層上外延生長(zhǎng)GaN單晶薄膜，形成了 GaN單晶薄膜層30后，再生長(zhǎng)具有成分梯度的InxGahN緩沖層31、n型摻硅InxGahN層32、InxGa1^xN多量子阱層33、p型摻鎂InxGai_xN層34，獲得含長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的電器元件，具體過(guò)程如下
在GaN單晶薄膜層30上生長(zhǎng)高質(zhì)量的具有成分梯度的InxGahN緩沖層31，其x的值可以在0-0. 2之間可調(diào)；然后生長(zhǎng)n型摻硅InxGahN層32，其厚度約為5 Pm，其載流子的濃度為I X IO19CnT 3，0<x< I。接著生長(zhǎng)InxGahN多量子阱層33，厚度約為300 nm,周期數(shù)為20，0<x< 1，其中Ina2Gaa8N阱層為3 nm，Inatl8Gaa92N壘層為10 nm。再生長(zhǎng)Mg摻雜的P型摻鎂InxGahN層34，厚度約為200 nm,0<x< 1，其載流子濃度為2 X IO16CnT 3。最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在此基礎(chǔ)上通過(guò)在N2氣氛下退火，提高了 p型摻鎂InxGahN層34的載流子濃度和遷移率。 獲得的含長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的電器元件適合應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不能以此來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于包括Si襯底層、生長(zhǎng)在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層、生長(zhǎng)在Al2O3保護(hù)層上的GaN薄膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于所述Al2O3保護(hù)層的厚度為3 — 5nm。
3.—種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于選取Si襯底；選取Si襯底的(111)晶面鍍上一層Al層，然后通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層；再在Al2O3保護(hù)層上生長(zhǎng)GaN薄膜層。
4.如權(quán)利要求3所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備，其特征在于采用分子束外延生長(zhǎng)法在Si (111)晶面上鍍厚度為3 - 5nm的Al層，Si襯底為800 — 900°C時(shí)通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層，保溫。
5.如權(quán)利要求3所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在Al2O3保護(hù)層上生長(zhǎng)GaN薄膜層，襯底溫度為600-700°C，反應(yīng)室壓力為 3 — 4X10 —icWTorr、V /III比為 30 — 40、生長(zhǎng)速度為 0.8—1. lML/s，GaN 薄膜層生長(zhǎng)后，保溫25 - 35分鐘，溫度為650 - 750°C。
6.如權(quán)利要求3所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于在鍍上Al層之前，先對(duì)Si襯底依次進(jìn)行拋光處理、表面清潔處理、退火處理。
7.如權(quán)利要求6所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于拋光處理是用金剛石對(duì)Si襯底表面進(jìn)行拋光，用光學(xué)顯微鏡觀察Si襯底表面沒(méi)有劃痕后，再采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)Si襯底進(jìn)行拋光。
8.如權(quán)利要求6所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于，所述表面清潔處理方法為將Si襯底放入丙酮溶液中超聲處理，然后用去離子水清洗；接著在異丙酮溶液中超聲處理；再在氫氟酸溶液中浸泡；然后放入去離子水中浸泡；最后在硫酸和雙氧水的混合溶液中浸泡，再經(jīng)氫氟酸浸泡，然后用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?，存放于氮?dú)夤裰小?br> 9.如權(quán)利要求6所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于退火處理是將Si襯底放在壓強(qiáng)為2X10 —ltlTorr的超高真空的生長(zhǎng)室內(nèi)，在900-1000°C下高溫烘烤3 — 5 h以除去Si襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。
10.權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜應(yīng)用于LED器件中或太陽(yáng)能電池中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜，其包括Si襯底層、生長(zhǎng)在Si襯底層上的Al2O3保護(hù)層、生長(zhǎng)在Al2O3保護(hù)層上的GaN薄膜層。本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法包括選取Si襯底；選取Si襯底的(111)晶面鍍上一層Al層，然后通入氧等離子體至形成Al2O3保護(hù)層；再在Al2O3保護(hù)層上生長(zhǎng)GaN薄膜層。本發(fā)明的GaN薄膜的缺陷密度低、晶體質(zhì)量高、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異，適合應(yīng)用在LED器件中、太陽(yáng)能電池中。
文檔編號(hào)H01L33/32GK103035496SQ20121053509
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者李國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣州市眾拓光電科技有限公司