[发明专利]一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及金属有机化学气相沉积法合成膜的技术领域，具体涉及一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

GaN作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率等优异性能，在微电子应用方面也得到了广泛的关注。自I.Akasaki首次成功获得p-GaN，实现蓝光LED的新突破后，GaN基化合物半导体一直备受关注，在室内照明、商业照明、工程照明等领域有着广泛的应用。

高质量GaN材料一般都通过异质外延方法制作。作为常用于生长GaN的衬底，蓝宝石有稳定的物理化学性质，但它与GaN间存在很大的晶格失配(16％)及热失配(25％)，造成生长的GaN外延层质量较差；SiC虽然与GaN的晶格失配度仅3.5％，导热率较高，但它的热失配与蓝宝石相当(25.6％)，与GaN的润湿性较差，价格昂贵，并且制造技术已被美国科锐公司垄断，因此也无法普遍使用。相比较下，Si衬底具有成本低、单晶尺寸大且质量高、导热率高、导电性能良好等诸多特点，并且Si的微电子技术十分成熟，在Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。正是因为Si衬底的上述诸多优点，Si衬底上生长GaN薄膜进而制备LED越来越备受关注。但是，目前在Si衬底上制备GaN单晶薄膜的质量不如蓝宝石衬底，主要由于：Si与GaN热失配远远高于蓝宝石，导致外延片更易于龟裂；Si衬底遇活性N在界面处易形成无定形的SixNy，影响GaN的生长质量；Si对可见光的吸收作用也会大大降低LED发光效率。

由此可见，即便Si衬底具有成本低、散热好等优点，具有非常良好的发展前景，但要获得在Si衬底上生长高质量GaN薄膜，需要寻找Si衬底上生长GaN薄膜的新方法及工艺。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，具有密度低、结晶质量好、成本低等优点。

本发明的另一目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法，以提高GaN薄膜的均匀性及生长速度，并降低成本。

本发明的第三个目的在于提供生长在Si衬底上的GaN薄膜在制备蓝光LED灯中的应用。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，其包括由下至上依次排列的Si衬底、AlN缓冲层、GaN形核层、GaN外延层；所述Si衬底的晶体取向为111面偏100方向0.5-1°。

在上述方案的基础上，优选的，本发明所述AlN缓冲层厚度为10-50nm。

在上述方案的基础上，优选的，本发明所述GaN形核层厚度为3-10nm。

在上述方案的基础上，优选的，本发明所述GaN外延层厚度为1.2-1.5μm。

上述生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法，顺次包括以下步骤：

1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，选取111面偏100方向0.5-1°的晶体取向；

2)采用脉冲激光沉积工艺生长AlN缓冲层；

3)采用金属有机化学气相沉积工艺生长GaN形核层；

4)采用金属有机化学气相沉积工艺生长GaN外延层。

在上述方案的基础上，作为优选的，所述制备方法在步骤1)之后、步骤2)之前还包括了对衬底依次进行表面清洗和退火处理。其中所述表面清洗具体步骤为：对衬底进行表面清洁处理是将Si衬底放入丙酮溶液中超声处理，然后用去离子水清洗；接着在异丙酮溶液中超声处理；再在氢氟酸溶液中浸泡；然后放入去离子水中浸泡；最后在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，再经氢氟酸浸泡，然后用去离子水冲洗，氮气吹干，存放于氮气柜中。所述退火处理是将衬底在900-1000℃下高温烘烤3-5h；通过退火处理使衬底获得原子级平整的表面，进一步提高了GaN薄膜的平整性和均匀性。

步骤4)中生长AlN缓冲层时，衬底温度为650-750℃，反应室压力为10-15mTorr、V/III比为50-60、生长速度为0.4-0.6ML/s。

步骤5)生长GaN形核层时，衬底温度为1000-1300℃，反应室压力为450-500Torr、V/III比为3000-3300、生长速度为0.8-1.0μm/h。

步骤6)中生长GaN外延层时，衬底温度升至1030-1060℃，反应室压力为150～220Torr，V/III为1000-1200，生长速率为3.0-3.5μm/h。

上述GaN薄膜在制备LED器件、光电探测器中的应用。