一種生長在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生長在Si襯底上的GaN薄膜，包括Si襯底、AlN成核層、AlxGa1-xN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜，所述AlN成核層、AlxGa1-xN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜依次生長在Si襯底上，其中，x為0-1。本發(fā)明還公開了一種生長在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明利用AlN成核層、AlxGa1-xN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層的底層作用，解決了在上生長GaN薄膜過程中產(chǎn)生大量穿透位錯的問題，使得生長在Si襯底上的GaN薄膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，同時，克服了熱應(yīng)力失配給GaN薄膜造成裂紋的技術(shù)問題。
【專利說明】一種生長在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及GaN薄膜，特別是涉及一種生長在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)作為一種新型固體照明光源和綠色光源，具有體積小、耗電量低、環(huán)保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點(diǎn)，在室外照明、商業(yè)照明以及裝飾工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。在全球氣候變暖問題日趨嚴(yán)峻的背景下，節(jié)約能源、減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題，以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)，將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向。在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀(jì)將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是現(xiàn)階段LED的應(yīng)用成本較高，發(fā)光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。
[0003]II1-族氮化物GaN(氮化鎵)在電學(xué)、光學(xué)以及聲學(xué)上具有極其優(yōu)異的性質(zhì)，近幾年受到廣泛關(guān)注。GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低，擊穿介電強(qiáng)度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發(fā)光效率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到28 %并且還在進(jìn)一步的增長，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前通常使用的白熾燈(約為2%)或熒光燈(約為10%)等照明方式的發(fā)光效率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，我國目前的照明用電每年在4100億度以上，超過英國全國一年的用電量。如果用LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，可節(jié)省接近一半的照明用電，超過三峽工程全年的發(fā)電量。因照明而產(chǎn)生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與突光燈相比，GaN基LED不含有毒的萊元素，且使用壽命約為此類照明工具的100倍。
[0004]通常GaN基LED制備所使用的襯底為藍(lán)寶石以及SiC。但由于藍(lán)寶石襯底價格較高，導(dǎo)致現(xiàn)階段LED芯片價格處于一個較高的水平。其次，由于藍(lán)寶石熱導(dǎo)率低(100°C時為25ff/m.K)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時排出，導(dǎo)致熱量積累，降低了器件的內(nèi)量子效率，從而最終影響器件的性能。對于SiC而言，雖然不存在上述的缺點(diǎn)，但高昂的價格制約了它的應(yīng)用；另外，SiC襯底制備GaN基LED的專利只掌握在少數(shù)的外國公司手上。因此我們迫切需要尋找一種價格低廉，具有高熱導(dǎo)率的新型襯底。
[0005]Si襯底由于具有成熟的制備工藝，高的結(jié)晶質(zhì)量，以及低廉的價格，高達(dá)100W/m.K的熱導(dǎo)率，成為了制備GaN基LED器件襯底最好的選擇之一。但與GaN之間巨大的晶格失配(16.9%)及熱失配(54%)，會在生長過程中產(chǎn)生大量的穿透位錯，在降溫過程中產(chǎn)生引入張引力而產(chǎn)生裂紋。這正是制約Si襯底制備LED器件的主要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種生長在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明解決了在Si襯底上生長GaN薄膜過程中產(chǎn)生大量穿透位錯的問題，使得生長在Si襯底上的GaN薄膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，克服了熱應(yīng)力失配給GaN薄膜造成裂紋的技術(shù)問題。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種生長在Si襯底上的GaN薄膜，包括Si襯底、AlN成核層、AlxGa1J步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜，所述AlN成核層、AlxGa1^xN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜依次生長在Si襯底上，其中，x為0_1。
[0009]優(yōu)選的，所述Si襯底以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:GaN(0001)晶面平行于Si (111)晶面，所述AlN成核層生長在Si(Ill)晶面上。
[0010]優(yōu)選的，所述AlxGahN步進(jìn)緩沖層包括Ala75Gaa25N緩沖層、Ala5Gaa5N緩沖層和Ala25Gaa75N緩沖層，所述Ala75Gaa25N緩沖層、Ala5Gaa5N緩沖層和Ala25Gaa75N緩沖層從下到上依次生長在AlN成核層與AlN插入層之間。
[0011]優(yōu)選的，所述AlN成核層厚度為20~30nm，所述Ala75Gaa25N緩沖層的厚度為90~120nm，所述Ala5Gaa5M^沖層的厚度為120~150nm，所述Ala25Gaa75N緩沖層的厚度為200~300nm,所述的AlN插入層厚度為20~30nm,所述的GaN成核層厚度為200nm,所述的GaN薄膜厚度為I~1.5 μ m。
[0012]一種生長在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括步驟:
[0013](I)選擇Si襯底，以Si (111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=GaN(OOOl)晶面平行于Si (111)晶面；
[0014](2) Si襯底表面處理:對Si襯底表面進(jìn)行清洗以及退火處理；
[0015](3)在Si襯底(111)晶面依次進(jìn)行AlN成核層、AlxGa^xN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜的外延生長，獲得所述生長在Si襯底上的GaN薄膜，其中，x為0_1。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟(2)中清洗工藝是將Si襯底用高濃度的HF溶液進(jìn)行超聲震蕩清洗，然后用離子水對Si襯底潤洗15~30次，最后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪?；所述HF溶液體積比為HF = H2O= 1:1 ;所述退火處理是將Si襯底放入反應(yīng)室內(nèi)在1050~IKKTCH2環(huán)境下高溫?zé)嵬嘶稹?br> [0017]優(yōu)選的，所述AlxGahN步進(jìn)緩沖層包括Ala75Gaa25N緩沖層、Ala5Gaa5N緩沖層和Ala25Gaa75N緩沖層，所述Ala75Gaa25N緩沖層、Ala5Gaa5N緩沖層和Ala25Gaa75N緩沖層從下到上依次生長在AlN成核層與AlN插入層之間。
[0018]優(yōu)選的，所述AlN成核層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為=Si襯底溫度為860~1060°C，反應(yīng)室壓力為50~lOOtorr，TMAl流量為200~250sccm, NH3流量為5~30slm，生長速率為2~5nm/min，在Si襯底(111)晶面生長AlN成核層；
[0019]所述AlxGahN步進(jìn)緩沖層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:保持Si襯底溫度為960-1060°C，反應(yīng)室壓力為50~lOOTorr，NH3流量為lOslm，TMAl流量為250sccm不變；首先，TMGa流量為5~8sccm，生長速率為2.5~5nm/min，在AlN成核層上生長Ala75Gaa25N緩沖層；其次，改變TMGa流量為20~26sCCm，生長速率為4~6nm/min，在Ala75Ga25N緩沖層上生長Ala5Gaa5N緩沖層；最后改變TMGa流量為65~70sCCm，生長速率為8~10nm/min，在Ala5Gaa5N緩沖層上生長Ala25Gaa75N緩沖層；
[0020] 所述AlN插入層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:Si襯底溫度為700~1050°C，反應(yīng)室壓力為50~lOOtorr，TMAl流量為150~200sccm，NH3流量至5~28slm，生長速率為2~8nm/min，在Ala 25Ga0.75N緩沖層上生長AlN插入層；
[0021]所述GaN成核層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:反應(yīng)室壓力為450~600torr，Si襯底溫度為1000~1050°C，V / III為2000~3000，生長速率為0.8~I μ m/h,在AlN插入層上生長GaN成核層；
[0022]所述GaN薄膜的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:反應(yīng)室壓力為50~300torr，Si襯底溫度為1000~1060°C，V / III為3000~5000，生長速率為2~4 μ m/h,在GaN成核層生長GaN薄膜，即得生長在Si襯底上的GaN薄膜。
[0023]優(yōu)選的，所述AlN成核層厚度為10~lOOnm，所述Ala75Gaa25N緩沖層的厚度為50~120nm，所述Ala5Gaa5M^沖層的厚度為100~200nm，所述Ala25Gaa 75N緩沖層的厚度為150~300nm,所述的AlN插入層厚度為10~50nm,所述的GaN成核層厚度為200~500nm,所述的GaN薄膜厚度為I~2 μ m。
[0024]生長在Si襯底上的GaN薄膜在制備LED器件中的應(yīng)用。
[0025]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]1、本發(fā)明利用AlN成核層、AlxGahN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層的底層作用，解決了在上生長GaN薄膜過程中產(chǎn)生大量穿透位錯的問題，使得生長在Si襯底上的GaN薄膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，同時，克服了熱應(yīng)力失配給GaN薄膜造成裂紋的技術(shù)問題；
[0027]2、本發(fā)明使用10~10nm厚的AlN成核層可以隔絕Si與NH3反應(yīng)形成SiNx影響形核，另外能夠隔絕Si與Ga直接接觸，從而避免了 Si~Ga的高溫共熔反應(yīng)刻蝕襯底，為接下來外延生長高質(zhì)量GaN薄膜奠定基礎(chǔ)；
[0028]3、本發(fā)明使用的三層AlxGahN步進(jìn)緩沖層以及AlN插入層，能夠有效的緩解因GaN與Si之間巨大的晶格失配及熱失配引起的張應(yīng)力，此外還能夠起到過濾穿透位錯的效果，提升GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量；相比于同樣Si上采用MOCVD法外延沉積GaN外延薄膜，能夠獲得高質(zhì)量的GaN外延薄膜；
[0029]4、本發(fā)明AlN插入層的厚度為10~50nm,能起到同AlxGa1I步進(jìn)緩沖層相同的作用，但能夠引入更大的壓應(yīng)力，同時提升外延膜的質(zhì)量；
[0030]5、本發(fā)明中GaN成核層為進(jìn)一步生長高質(zhì)量的GaN外延薄膜提供成核中心，保證后期GaN薄膜的高質(zhì)量；
[0031]6、本發(fā)明的生長工藝獨(dú)特而簡單易行，重復(fù)性好，利用工廠大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明生長在Si襯底上的GaN薄膜結(jié)構(gòu)以意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明實施例1制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜GaN(0002)的高分辨X射線衍射搖擺曲線(RCXRD)圖譜；
[0034]圖3為本發(fā)明實施例1制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜GaN(10_12)的高分辨X射線衍射搖擺曲線(RCXRD)圖譜；
[0035]其中，I為Si襯底，2為AlN成核層，3為Al。.75GaQ.25N緩沖層，4為Ala5Gaa5N緩沖層，5為Al0.256?.75N緩沖層，6為AlN插入層，7為GaN成核層，8為GaN薄月旲?！揪唧w實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]如圖1所示，為本發(fā)明生長在Si襯底上的GaN薄膜結(jié)構(gòu)以意圖，包括Si襯底1、AlN成核層2、AlxGa1J步進(jìn)緩沖層、AlN插入層6、GaN成核層7和GaN薄膜8，優(yōu)選方案中，AlxGahN步進(jìn)緩沖層包括Ala75Gaa25N緩沖層3、Ala5Gaa5N緩沖層4和Ala25Gaa75N緩沖層5，所述Si襯底I以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為:GaN(0001)晶面平行于Si (111)晶面，所述AlN成核層2生長在Si襯底1(111)晶面上，Ala75Gaa25N緩沖層3、Ala5Gaa5N緩沖層4、Ala25Gaa75N緩沖層5、AlN插入層6、GaN成核層7、GaN薄膜8依次生長在AlN成核層2上。
[0038]實施例1
[0039]生長在Si襯底上的GaN薄膜的制備，包括以下步驟:
[0040](I)襯底以及其晶向的選取:采用Si襯底，以(111)面為模板作為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=GaN的(0001)面平行于Si的(111)面，即GaN(OOOl)//Si (111)。
[0041](2)襯底清洗以及退火處理:采用高濃度的HF溶液(HF = H2O = 1:1 (V: V))對Si襯底進(jìn)行長時間的超聲震蕩清洗；再用去離子水清洗潤洗30次；最后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪簦环湃敕磻?yīng)室內(nèi)在1050°C H2環(huán)境下進(jìn)行高溫退火處理，去除Si襯底表面殘余O元素。
[0042](3) AlN成核層外延生長:Si襯底溫度調(diào)為1030°C，在反應(yīng)室的壓力為50torr ;然后先通入TMAl，流速為200SCCm，鋪兩到三層Al原子層，隔絕Si襯底與NH3接觸，防止生產(chǎn)SiNx，持續(xù)I分鐘，接著同時通入TMAl與NH3, MV流量為28slm，維持V / III在1000，生長速率2nm/min,生長60nm厚的AlN成核層。
[0043](4)AlxGai_xN步進(jìn)緩沖層的外延生長:保持Si襯底在1030°C，反應(yīng)室壓力為50Torr，NH3的流量為lOslm，TMAl的流量在250sccm條件下，改變TMGa的流量為8sccm，生長速率3nm/min，在步驟(3)得到的AlN成核層上生長120nm厚Ala 75Gaa25N緩沖層；接著改變TMGa流量至26sCCm，保持其他條件不變，生長速率6nm/min，在Ala 75G0.25N緩沖層上生長150nm厚Ala 5Ga0.5N緩沖層；接著繼續(xù)改變TMGa流量至70sCCm，保持其他條件不變，生長速率10nm/min，在Ala5Gaa5N緩沖層上生長300nm厚的Ala25Gaa75N緩沖層。
[0044](5) AlN插入層的外延生長:生長完AlGaN緩沖層后，Si襯底升溫至1040°C，改變TMAl流量至200sccm,改變NH3流量至28slm,反應(yīng)室壓力保持在50torr,生長約30nmAlN插入層。
[0045](6)GaN成核層的外延生長:提高反應(yīng)室壓力至500torr, Si襯底溫度降低至1000C，維持V / III在3000，生長速率為0.9 μ m/h,生長約200nm GaN成核層。
[0046](7) GaN薄膜的外延生長:降低反應(yīng)室壓力至150torr，Si襯底溫度提高至1030°C，維持V / III在4000，生長速率為3 μ m/h,生長約1.5 μ m GaN,即得生長在Si襯底上的GaN薄膜。
[0047]步驟(3)-(7)均采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝。
[0048]圖2?3是本實施例制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜的X射線搖擺曲線圖譜，從X射線搖擺曲線中可以看到，GaN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FWHM)值低于450arcsec, GaN(10_12)的半峰寬值為580arcsec ;表明在Si (111)襯底上外延生長出了高質(zhì)量的GaN薄膜。[0049]將本實施例制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜用于制備LED:在本實施例制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜上依次外延生長Si摻雜的η型GaN、InxGapxN多量子阱層、Mg摻雜的P型GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在Si襯底上制備得到的GaN基LED器件，其η型GaN的厚度約為I μ m,其載流子的濃度為4X 1018cm_3 ；InxGai_xN/GaN多量子阱層的厚度約為160nm,周期數(shù)為10,其中InxGa1^N講層為3nm, GaN魚層為13nm, p型摻鎂的GaN層厚度約為150nm，其載流子的濃度為3X 1017cnT3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為4.02mff,開啟電壓值為3.494V。
[0050]實施例2
[0051]生長在Si襯底上的GaN薄膜的制備，包括以下步驟:
[0052](I)襯底以及其晶向的選取:采用Si襯底，以(111)面作為模板外延面，晶體外延取向關(guān)系為:GaN的(0001)面平行于Si的(111)面，即GaN(OOOl)//Si (111)。
[0053](2)襯底清洗以及退火處理:采用高濃度的HF溶液(HF = H2O = 1:1)對Si襯底進(jìn)行長時間的超聲震蕩清洗；再用去離子水清洗潤洗30次；最后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪簦环湃敕磻?yīng)室內(nèi)在1050°C H2環(huán)境下進(jìn)行高溫退火處理，去除Si襯底表面殘余O元素。
[0054](3) AlN成核層外延生長:Si襯底溫度調(diào)為960°C，在反應(yīng)室的壓力為10torr ;然后先通入TMAl，流速為250SCCm，鋪兩到三層Al原子層，隔絕Si襯底與NH3接觸，防止生產(chǎn)SiNx，持續(xù)I分鐘，接著同時通入TMAl與NH3, NH3流量為25slm，維持V / III在2000，生長速率0.6nm/min,生長30nm厚的AlN成核層。
[0055](4)AlxGa^xN步 進(jìn)緩沖層的外延生長:保持Si襯底溫度1060°C，反應(yīng)室壓力為10Torr, NH3的流量為lOslm，TMAl的流量為250sccm條件下，改變TMGa的流量為5sccm，生長速率2.5nm/min，在步驟⑶得到的AlN成核層上生長90nm厚Ala75Gaa25N緩沖層；接著改變TMGa至20sCCm，保持其他條件不變，生長速率4nm/min，在Ala 75G0.25N緩沖層上生長120nm厚Ala 5Ga0.5N緩沖層；接著繼續(xù)改變TMGa流量至65Sccm，保持其他條件不變，生長速率8nm/min在Ala5Gaa5N緩沖層上生長200nm厚的Ala25Gaa75N緩沖層。
[0056](5) AlN插入層的外延生長:生長完AlGaN緩沖層后，Si襯底升溫至1070°C。改變TMAl流量至150sccm，改變NH3流量至25slm，反應(yīng)室壓力保持在lOOtorr，生長速率為0.6nm/min,在Ala25Gaa75N緩沖層上生長約1nmAlN插入層。
[0057](6)GaN成核層的外延生長:提高反應(yīng)室壓力至450torr, Si襯底溫度降低至1030°C，維持V /III在3000，生長速率為0.8 μ m/h，在AlN插入層上生長約200nm GaN成核層。
[0058](7) GaN薄膜的外延生長:降低反應(yīng)室壓力至220torr，Si襯底溫度提高至1060°C，維持V /III在1200，生長速率為3.5 μ m/h，在GaN成核層生長約1.5ymGaN。
[0059]步驟(3)-(7)均采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝。
[0060]將本實施例制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜用于制備LED:在本實施例制備的生長在Si襯底上的GaN薄膜上依次外延生長Si摻雜的η型GaN、InxGapxN多量子阱層、Mg摻雜的P型GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在Si襯底上制備得到的GaN基LED器件，其η型GaN的厚度約為I μ m,其載流子的濃度為4X 1018cm_3 ；InxGai_xN/GaN多量子阱層的厚度約為160nm,周期數(shù)為10,其中InxGa1^N講層為3nm, GaN魚層為13nm, p型摻鎂的GaN層厚度約為150nm，其載流子的濃度為3X 1017cnT3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為3.3mff,開啟電壓值為3.18V。
[0061]對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種生長在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于，包括Si襯底、AlN成核層、AlxGahN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜,所述AlN成核層、AlxGa1^xN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜依次生長在Si襯底上，其中，x為0_1。
2.如權(quán)利要求1所述的生長在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述Si襯底以(111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=GaN(OOOl)晶面平行于Si (111)晶面，所述AlN成核層生長在Si (111)晶面上。
3.如權(quán)利要求1所述的生長在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述AlxGahN步進(jìn)緩沖層包括Ala75Gaa25N緩沖層、Ala5Gaa5N緩沖層和Ala25Gaa75N緩沖層，所述Ala 75GaQ.25N緩沖層、沖層和Ala25Gaa75N緩沖層從下到上依次生長在AlN成核層與AlN插入層之間。
4.如權(quán)利要求1所述的生長在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述AlN成核層厚度為20~30nm，所述Ala75Gaa25N緩沖層的厚度為90~120nm，所述Al。.5GaQ.5N緩沖層的厚度為120~150nm，所述Ala25Gaa75N緩沖層的厚度為200~300nm，所述的AlN插入層厚度為20~30nm,所述的GaN成核層厚度為200nm,所述的GaN薄膜厚度為I~1.5 μ m。
5.權(quán)利要求1所述生長在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于，包括步驟: (1)選擇Si襯底，以Si(111)晶面為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=GaN(OOOl)晶面平行于Si (111)晶面； (2)Si襯底表面處理:對Si襯底表面進(jìn)行清洗以及退火處理； (3)在Si襯底(111)晶面 依次進(jìn)行AlN成核層、AlxGapxN步進(jìn)緩沖層、AlN插入層、GaN成核層和GaN薄膜的外延生長，獲得所述生長在Si襯底上的GaN薄膜，其中，x為0_1。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中清洗工藝是將Si襯底用高濃度的HF溶液進(jìn)行超聲震蕩清洗，然后用離子水對Si襯底潤洗15~30次，最后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪?；所述HF溶液體積比為HF = H2O = 1:1 ;所述退火處理是將Si襯底放入反應(yīng)室內(nèi)在1050~1100°C H2環(huán)境下高溫?zé)嵬嘶稹?br> 7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述AlxGahN步進(jìn)緩沖層包括Al0.75Ga0.25N 緩沖層、Al0.5Ga0.5N 緩沖層和 Al0.25Ga0.75N 緩沖層，所述 Al0.75Ga0.25N 緩沖層、Al0.5Ga0.5N緩沖層和Ala 25Ga0.75N緩沖層從下到上依次生長在AlN成核層與AlN插入層之間。
8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于: 所述AlN成核層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:Si襯底溫度為860~1060°C，反應(yīng)室壓力為50~lOOtorr，TMAl流量為200~250sccm，NH3流量為5~30slm，生長速率為2~5nm/min，在Si襯底(111)晶面生長AlN成核層； 所述AlxGahN步進(jìn)緩沖層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:保持Si襯底溫度為960-1060°C，反應(yīng)室壓力為50~lOOTorr，NH3流量為lOslm，TMAl流量為250sccm不變；首先，TMGa流量為5~8sccm，生長速率為2.5~5nm/min，在AlN成核層上生長Ala75Gaa25N緩沖層；其次，改變TMGa流量為20~26sCCm，生長速率為4~6nm/min，在Ala75Ga25N緩沖層上生長Ala5Gaa5N緩沖層；最后改變TMGa流量為65~70sCCm，生長速率為8~10nm/min，在Ala5Gaa5N緩沖層上生長Ala25Gaa75N緩沖層； 所述AlN插入層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:Si襯底溫度為700~1050°C，反應(yīng)室壓力為50~lOOtorr，TMAl流量為150~200sccm，NH3流量至5~28slm,生長速率為2~8nm/min,在Ala25Gaa 75N緩沖層上生長AlN插入層； 所述GaN成核層的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:反應(yīng)室壓力為450~600torr，Si襯底溫度為1000~1050°C，V / III為2000~3000，生長速率為.0.8~I μ m/h,在AlN插入層上生長GaN成核層； 所述GaN薄膜的外延生長采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝，其工藝條件為:反應(yīng)室壓力為50~300torr，Si襯底溫度為1000~1060°C，V / III為3000~5000，生長速率為2~.4 μ m/h,在GaN成核層生長GaN薄膜，即得生長在Si襯底上的GaN薄膜。
9.如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述AlN成核層厚度為10~lOOnm，所述Ala75Gaa25N緩沖層的厚度為50~120nm，所述Al。.5GaQ.5N緩沖層的厚度為100~200nm，所述Ala25Gaa75N緩沖層的厚度為150~300nm，所述的AlN插入層厚度為10~50nm，所述的GaN成核層厚度為200~500nm,所述的GaN薄膜厚度為I~2 μ m。
10.權(quán)利要求 1-9任一項所述生長在Si襯底上的GaN薄膜在制備LED器件中的應(yīng)用。
【文檔編號】C30B29/40GK104037284SQ201410256443
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】李國強(qiáng) 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司