一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，所述半極性GaN薄膜包括Si襯底以及在Si襯底的(001)晶面往Si襯底的(111)晶面朝向依次外延生長(zhǎng)的AlN薄膜層、中間層和外延層。本發(fā)明還包括該GaN薄膜的制備方法，包括如下步驟：將Si襯底進(jìn)行蝕刻圖案處理、然后依次外延AlN層、中間層和外延層。本發(fā)明的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜及制備方法，具有質(zhì)量高、性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半極性GaN薄膜及其制備方法，尤其是涉及一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜及其制備方法。
【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(zhǎng)、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。當(dāng)前，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(duì)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(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，二十一世紀(jì)將是以LED為代表的新型照明光源的時(shí)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(huì)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(zhǎng)，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(jì)表明，我國(guó)目前的照明用電每年在4100億度以上，超過(guò)英國(guó)全國(guó)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(guò)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(huì)因此而大大降低。另外，與熒光燈相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用壽命約為此類照明工具的100倍。
[0004]但是，由于現(xiàn)在GaN基LED大都基于極性面構(gòu)建而成。由于GaN沿[0001]方向即生長(zhǎng)方向上極化的不連續(xù)，界面處形成二維的自由電子氣，造成很強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)(量級(jí)為MV/cm)，盡管這對(duì)于某些要求高遷移率的器件是有利的[10]，但在極性面GaN上，電子與空穴質(zhì)心不重合，容易形成電偶極子，產(chǎn)生自發(fā)極化場(chǎng)和壓電極化場(chǎng)，進(jìn)而引起量子束縛斯塔克效應(yīng)(Quantum-confined Starker Effect, QCSE),導(dǎo)致能帶彎曲、傾斜,使電子和空穴分離，載流子的輻射復(fù)合效率降低，最終影響LED的發(fā)光效率，并造成LED發(fā)光波長(zhǎng)的不穩(wěn)定，光譜出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，這在一定程度上又限制了大功率、高效率白光LED的發(fā)展。
[0005]雖然有多種方法理論可以克服極化效應(yīng)引起的量子束縛斯塔克效應(yīng)，但從可行性分析來(lái)看，并非都能達(dá)到預(yù)定效果。比如用摻雜屏蔽的方法來(lái)解決極化造成的能帶傾斜，由于強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)的存在，要求載流子濃度大于1019cm-3，這顯然是不可行的；也有人建議采用生長(zhǎng)對(duì)稱性高、不產(chǎn)生自發(fā)極化現(xiàn)象的立方相GaN以解決問題，但因?yàn)榱⒎较嗍莵喎€(wěn)態(tài)，要想獲得高質(zhì)量的立方相GaN薄膜無(wú)疑又增大了技術(shù)難度。而非極性/半極性面氮化物薄膜因能有效避免或削弱常規(guī)極性面氮化物L(fēng)ED的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)的影響，增加輻射復(fù)合的概率，大大提高器件的發(fā)光效率，越來(lái)越受科研人員的重視。目前國(guó)際上公認(rèn)的最有效的方法，也就是生長(zhǎng)非極性面或半極性面的薄膜，即通過(guò)生長(zhǎng)出生長(zhǎng)方向不平行于極性軸[0001]方向的薄膜，以避免或減弱薄膜自身自發(fā)極化效應(yīng)的影響，而且在無(wú)剪切應(yīng)力的情況下，壓電效應(yīng)的影響也將大為減弱。
[0006]另外，在襯底方面，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(jià)格較高，導(dǎo)致現(xiàn)階段LED芯片價(jià)格處于一個(gè)較高的水平。其次，由于藍(lán)寶石熱導(dǎo)率低(10(TC時(shí)為25W/m.K)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時(shí)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(duì)于SiC而言，雖然不存在上述的缺點(diǎn)，但高昂的價(jià)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(guó)公司手上。因此我們迫切需要尋找一種價(jià)格低廉，具有高熱導(dǎo)率的新型襯底。
[0007]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(jià)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(huì)在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生大量的穿透位錯(cuò)，甚至在降溫過(guò)程中產(chǎn)生引入張引力而產(chǎn)生裂紋。此外，Ga與Si之間存在的合金共熔現(xiàn)象也容易導(dǎo)致在外延過(guò)程中發(fā)生回熔刻蝕現(xiàn)象發(fā)生，從而導(dǎo)致表面出現(xiàn)大量回熔刻蝕坑，進(jìn)而導(dǎo)致外延失敗。以上問題也正是制約Si襯底制備LED器件的主要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種采用一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜及其制備方法。
[0009]為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0010]一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，所述半極性GaN薄膜包括Si襯底以及在Si襯底的(001)晶面往Si襯底的(111)晶面朝向依次外延生長(zhǎng)的AlN薄膜層、中間層和外延層；
[0011]所述中間層為一層高壓、低V /III比的半極性GaN層；
[0012]所述外延層為一層低壓、高V / III比的半極性GaN層；
[0013]所述Si襯底為圖形化硅襯底，所述圖形化硅襯底上設(shè)有多個(gè)間距相等、互相平行的三角形溝槽，三角形溝槽的側(cè)面平行于Si襯底的(111)晶面，即與Si襯底的(001)晶面呈54.74°角。本發(fā)明方案中，所述高壓、低V/III比優(yōu)選為壓力500-600torr、v / V比為500-700 ;所述低壓、高V /III比優(yōu)選為壓力100-200torr、V / V比為2000-4000。
[0014]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述圖形化Si襯底上的三角形溝槽寬度為I μ m，深度為
0.707 μ m。
[0015]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述的相鄰三角形溝槽緊密相連。
[0016]一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，依次包括如下步驟:
[0017]a.取Si襯底，然后在Si襯底上蝕刻有多個(gè)三角形溝槽，其中三角形溝槽的側(cè)面平行于Si襯底的{111}晶面(族)，即與Si襯底的(001)晶面呈54.74。角；
[0018]b.在經(jīng)過(guò)a步驟處理的Si襯底的(001)晶面上外延生長(zhǎng)一層AlN薄膜層；
[0019]c.在AlN薄膜層上外延生長(zhǎng)一層高壓、低V / V比的半極性GaN中間層；
[0020]d.在高壓、低V / V比的半極性中間GaN層上外延生長(zhǎng)一層低壓、高V / V比的半極性GaN層。
[0021]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述a、b步驟間還包括步驟al:將經(jīng)過(guò)a步驟處理的Si襯底進(jìn)行清洗、退火處理。
[0022]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為al步驟中的清洗、退火工藝具體為:用去離子水清洗潤(rùn)洗30次；然后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪簦环湃敕磻?yīng)室內(nèi)在1050°C經(jīng)行高溫?zé)嵬嘶稹?br> [0023]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為b步驟的具體工藝為:襯底溫度為960_1100°C，在所述Si襯底上預(yù)鋪一層Al原子層，接著通入NH3將Al原子層氮化，氮化后的AlN層上外延AlN緩沖層，其厚度為50-100nm。
[0024]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為c步驟的具體工藝為:襯底溫度為960-1000°C，反應(yīng)腔壓力為500-600torr，調(diào)節(jié)順3與TMGa的V / V比為500-700。通過(guò)高壓，低V/III比的方式控制成核密度，使得成核區(qū)域主要集中在(111)面上。確保后續(xù)的外延面愈合后為半極性面。
[0025]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為d步驟的具體工藝為:襯底溫度為1020-1030°C，反應(yīng)腔壓力為100-200torr，調(diào)節(jié)順3與TMGa的V / V比為2000-4000。通過(guò)低壓高V /III，高促
進(jìn)GaN薄膜愈合，獲得半極性面。
[0026]本發(fā)明中，優(yōu)選的方案為所述外延生長(zhǎng)所使用的鎵源、鋁源、氮源分別為三甲基
鎵、三甲基鋁、氨氣。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:相較于傳統(tǒng)的(001)面難以外延單一取向的半極性GaN薄膜，本發(fā)明通過(guò)利用硅(111)面易于外延(0002)面GaN的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)硅
(111)面的偏向，使得愈合后的GaN取向?yàn)?1-101)面，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)半極性LED器件的外延奠定了基礎(chǔ)。此外，相較于其他的利用圖形化硅襯底外延半極性GaN薄膜需要蒸鍍SiN、S1等掩膜，本發(fā)明則不需要該步驟，簡(jiǎn)化了工藝步驟，節(jié)約了成本。
[0028]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1圖1為本發(fā)明實(shí)例I所述圖形化硅襯底的俯視示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明實(shí)例I所述圖形化硅襯底的截面示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明實(shí)例I所述半極性GaN薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]1、圖形化硅襯底；11、三角形溝槽；110、第一側(cè)面；111、第二側(cè)面；2、AlN薄膜層；
3、中間層；4、外延層。
【具體實(shí)施方式】
[0033]實(shí)施例1
[0034]結(jié)合圖1-3。一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，其特征在于:所述半極性GaN薄膜包括Si襯底I以及在Si襯底I的(001)晶面往Si襯底I的(111)晶面朝向依次外延生長(zhǎng)的AlN薄膜層2、中間層3和外延層4 ；
[0035]所述中間層為一層高壓、低V / III比的半極性GaN層；
[0036]所述外延層為一層低壓、高V / III比的半極性GaN層；
[0037]所述Si襯底為圖形化硅襯底1，所述圖形化硅襯底上設(shè)有多個(gè)間距相等、互相平行的三角形溝槽，三角形溝槽的側(cè)面平行于Si襯底的(111)晶面。
[0038]所述Si襯底上的三角形溝槽寬度為I μ m,深度為0.707 μ m
[0039]所述圖形化Si襯底的相鄰三角形溝槽緊密相連
[0040]該生長(zhǎng)在硅襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0041]用于外延半極性面GaN薄膜的圖形化硅襯底包括硅襯底本體I，在硅襯底本體表面刻蝕的三角形溝槽11，三角形溝槽包括第一側(cè)面110和第二側(cè)面111，其與平面的角度為54.7°。
[0042]襯底清洗以及退火處理，所述清洗及退火工藝具體過(guò)程為:采用高濃度的HF溶液(HFiH2O= 1:1)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的刻蝕；再用去離子水清洗潤(rùn)洗30次；最后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪?；放入反?yīng)室內(nèi)在1050°C經(jīng)行高溫?zé)嵬嘶稹?br> [0043]襯底溫度為1100 C，在娃襯底上預(yù)鋪一層Al原子層，接著通入NH3將Al原子層風(fēng)化。
[0044]襯底溫度為1100°C，在(3)所述的氮化后的AlN層上外延AlN緩沖層，其厚度為50nmo
[0045]襯底溫度為1000°C，反應(yīng)腔壓力為500torr。調(diào)節(jié)NH3與TMGa的V / V比為500，
外延GaN中間層。
[0046]襯底溫度為1030°C，反應(yīng)腔壓力為200torr。調(diào)節(jié)NH3與TMGa的V / V比為2000，
外延GaN層。
[0047]如圖3所示，本實(shí)施例制備生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，包括圖形化硅襯底本體1，生長(zhǎng)在硅襯底上的AlN緩沖層2，生在AlN緩沖層上的GaN中間層3，生長(zhǎng)在GaN中間層上的GaN薄膜4。
[0048]實(shí)施例2
[0049]一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，其特征在于:所述半極性GaN薄膜包括Si襯底以及在Si襯底的(001)晶面往Si襯底的(111)晶面朝向依次外延生長(zhǎng)的AlN薄膜層、中間層和外延層；
[0050]所述中間層為一層高壓、低V / III比的半極性GaN層；
[0051]所述外延層為一層低壓、高V / III比的半極性GaN層；
[0052]所述Si襯底為圖形化硅襯底，所述圖形化硅襯底上蝕刻有多個(gè)間距相等、互相平行的三角形溝槽，三角形溝槽的側(cè)面平行于Si襯底的(111)晶面。
[0053]所述Si襯底上蝕刻的三角形溝槽寬度為I μ m，深度為0.707 μ m
[0054]所述圖形化Si襯底蝕刻出的相鄰三角形溝槽緊密相連
[0055]該生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0056]用于外延半極性面GaN薄膜的圖形化硅襯底包括硅襯底本體，在硅襯底本體表面刻蝕的三角形溝槽的兩個(gè)側(cè)面，即其與平面的角度為54.V。
[0057]襯底清洗以及退火處理，所述清洗及退火工藝具體過(guò)程為:采用高濃度的HF溶液(HFiH2O= 1:1)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的刻蝕；再用去離子水清洗潤(rùn)洗30次；最后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪?；放入反?yīng)室內(nèi)在1050°C經(jīng)行高溫?zé)嵬嘶稹?br> [0058]襯底溫度為960 C，在娃襯底上了頁(yè)鋪一層Al原子層，接著通入NH3將Al原子層風(fēng)化。[0059]襯底溫度為960°C，在(3)所述的氮化后的AlN層上外延AlN緩沖層，其厚度為10nm0
[0060]襯底溫度為10200°C，反應(yīng)腔壓力為600torr。調(diào)節(jié)NH3與TMGa的V / V比為700，
外延GaN中間層。
[0061]襯底溫度為1050°C，反應(yīng)腔壓力為lOOtorr。調(diào)節(jié)NH3與TMGa的V / V比為4000，
外延GaN層。
[0062]上述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不能以此來(lái)限定本發(fā)明保護(hù)的范圍，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)明所要求保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，其特征在于:所述半極性GaN薄膜包括Si襯底以及在Si襯底的(OOl)晶面往Si襯底的(111)晶面朝向依次外延生長(zhǎng)的AlN薄膜層、中間層和外延層； 所述中間層為一層高壓、低V /III比的半極性GaN層； 所述外延層為一層低壓、高V /III比的半極性GaN層； 所述Si襯底為圖形化硅襯底，所述圖形化硅襯底上設(shè)有間距相等、相互平行的三角形溝槽，三角形溝槽的側(cè)面平行于Si襯底的(111)晶面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，其特征在于:所述Si襯底上的三角形溝槽寬度為I μ m,深度為0.707 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜，其特征在于:所述圖形化Si襯底的相鄰三角形溝槽緊密相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，其特征在于依次包括如下步驟: a.取Si襯底，然后在Si襯底上蝕刻出多個(gè)三角形溝槽，其中三角形溝槽的側(cè)面平行于Si襯底的(111)晶面； b.在經(jīng)過(guò)a步驟處理的Si襯底的(001)晶面上外延生長(zhǎng)一層AlN薄膜層； c.在AlN薄膜層上外延生長(zhǎng)一層高壓、低V/ V比的半極性GaN中間層； d.在高壓、低V/ V比的半極性GaN中間層上外延生長(zhǎng)一層低壓、高V / V比的半極性GaN 層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，其特征在于所述a、b步驟間還包括步驟al:將經(jīng)過(guò)a步驟處理的Si襯底進(jìn)行清洗、退火處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，其特征在于al步驟中的清洗、退火工藝具體為:用去離子水清洗潤(rùn)洗30次；然后用氮?dú)鈽寣⑵浯祪?；放入反?yīng)室內(nèi)在1050°C經(jīng)行高溫?zé)嵬嘶稹?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，其特征在于b步驟的具體工藝為:襯底溫度為960-1100°C，在所述Si襯底上預(yù)鋪一層Al原子層，接著通入見13將Al原子層氮化，氮化后的AlN層上外延AlN緩沖層，其厚度為50-100nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，其特征在于b步驟的具體工藝為:襯底溫度為960-1000°C，反應(yīng)腔壓力為500-600torr，調(diào)節(jié)NH3與 TMGa 的 V / V 比為 500-700。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，其特征在于b步驟的具體工藝為:襯底溫度為1020-1030°C，反應(yīng)腔壓力為100-200torr，調(diào)節(jié)NH3 與 TMGa 的 V / V 比為 2000-4000。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生長(zhǎng)在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜的制備方法，其特征在于:所述外延生長(zhǎng)所使用的鎵源、鋁源、氮源分別為三甲基鎵、三甲基鋁、氨氣。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK104037291SQ201410256346
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)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(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣州市眾拓光電科技有限公司