[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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(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，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。

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