生長在玻璃襯底上的GaN薄膜及其制備方法技術

本發明專利技術公開了生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，包括生長在玻璃襯底上的鋁金屬層，生長在鋁金屬層上的銀金屬層，生長在銀金屬層上的AlN緩沖層，生長在AlN緩沖層上的GaN緩沖層，生長在GaN緩沖層上的GaN薄膜。本發明專利技術還公開了上述生長在玻璃襯底上的GaN薄膜的制備方法。本發明專利技術具有生長工藝簡單，制備成本低廉的優點，且制備的GaN薄膜缺陷密度低、結晶質量好，電學、光學性能好。

GaN film grown on glass substrate and preparation method thereof

The invention discloses a GaN thin film grown on glass substrates, including aluminum metal layer on the glass substrates, silver metal layer growth in aluminum metal layer, AlN buffer layer growth in silver metal layer, GaN buffer layer grown on a AlN buffer layer and GaN thin film grown on GaN buffer layer the. The invention also discloses a method for preparing the GaN film grown on the glass substrate. The invention has the advantages of simple growth process and low preparation cost, and the prepared GaN thin film has the advantages of low defect density, good crystalline quality and good electrical and optical properties.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及GaN薄膜，特別涉及生長在玻璃襯底上的GaN薄膜及其制備方法。
技術介紹
發光二極管(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、環保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點，在室外照明、商業照明以及裝飾工程等領域都具有廣泛的應用。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、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、低排放為基礎的低碳經濟，將成為經濟發展的重要方向。在照明領域，LED發光產品的應用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢。但是現階段LED的應用成本較高，發光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節能環保的方向發展。III族氮化物GaN在電學、光學以及聲學上具有極其優異的性質，近幾年受到廣泛關注。GaN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學和熱穩定性好，熱導率高，熱膨脹系數低，擊穿介電強度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發光效率現在已經達到28％并且還在進一步的增長，該數值遠遠高于目前通常使用的白熾燈(約為2％)或熒光燈(約為10％)等照明方式的發光效率。LED要真正實現大規模廣泛應用，需要進一步提高LED芯片的發光效率，同時降低LED芯片的價格。雖然LED的發光效率已經超過日光燈和白熾燈，但是商業化LED發光效率還是低于鈉燈(150lm/W)，單位流明/瓦的價格偏高。目前大多數GaN基LED都是基于藍寶石和SiC襯底上進行外延生長，大尺寸的藍寶石和SiC襯底價格昂貴，導致LED制造成本高。因此迫切尋找一種價格低廉的襯底材料應用于外延生長GaN薄膜。
技術實現思路
為了克服現有技術的上述缺點與不足，本專利技術的目的在于提供一種生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，缺陷密度低、結晶質量好，電學、光學性能好。本專利技術的另一目的在于提供一種上述生長在玻璃襯底上的GaN薄膜的制備方法，具有生長工藝簡單，制備成本低廉的優點。本專利技術的目的通過以下技術方案實現：生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，包括生長在玻璃襯底上的鋁金屬層，生長在鋁金屬層上的銀金屬層，生長在銀金屬層上的AlN緩沖層，生長在AlN緩沖層上的GaN緩沖層，生長在GaN緩沖層上的GaN薄膜。所述鋁金屬層的厚度為150～200μm。所述銀金屬層厚度為100～300nm。所述AlN緩沖層厚度為5～50nm。所述GaN緩沖層的厚度為50～80nm。所述GaN薄膜的度為200～300nm。所述的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟：(1)對玻璃襯底表面進行拋光、清洗；(2)鋁金屬層的生長：在分子束外延系統中，在襯底溫度為400～600℃條件下，沉積厚度為150～200μm的鋁金屬層；(3)銀金屬層的生長：在分子束外延系統中，采用分子束外延系統中的電子束蒸發功能，在襯底溫度為400～600℃條件下，在得到的鋁金屬層上沉積銀金屬層；(4)AlN緩沖層的生長：襯底溫度為450～550℃，在反應室的壓力為4.0～7.2×10-5Pa、生長速度為0.2～0.8ML/s的條件下，在銀金屬層上沉積金屬鋁薄膜，然后采用氮等離體子源對該金屬鋁薄膜進行氮化，等離體子源的功率為300～450W，氮氣流量為1～5sccm，氮化時間為10～50分鐘，獲得AlN薄膜；(5)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度為450～550℃，在反應室的壓力為6.0～7.2×10-5Pa、束流比V/III值為50～60、生長速度為0.4～0.6ML/s的條件下，在AlN緩沖層上生長GaN緩沖層；(6)GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度為500～600℃，在反應室的壓力為4.0～5.0×10-5Pa、束流比V/III值為30～40、生長速度為0.6～0.8ML/s條件下，在GaN緩沖層上生長GaN薄膜。步驟(1)所述拋光，具體為：首先將玻璃襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法進行拋光處理。步驟(1)所述清洗，具體為：將玻璃襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3～5分鐘，去除玻璃襯底表面粘污顆粒，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用干燥氮氣吹干。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點和有益效果：(1)本專利技術能有效的減少位錯的形成，制備出高質量GaN薄膜，有利提高了載流子的輻射復合效率，可大幅度提高氮化物半導體器件如半導體激光器、發光二極管及太陽能電池的性能。(2)本專利技術的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，在進行玻璃襯底去除之后，鋁金屬層具有作為支撐層、導電、導熱的功能；銀金屬層具有光線發射的功能。在預先沉積鋁金屬、銀金屬層上進行GaN薄膜的生長，為制備低成本、高導熱、高導電、高發光性能光電器件奠定了基礎。(3)本專利技術使用玻璃作為襯底，玻璃襯底容易獲得，價格便宜，有利于降低生產成本。(4)本專利技術的銀金屬可作為反射鏡，如果采用該GaN制備發光器件，可大幅度提高發光效率；如果采用該GaN制備太陽電池，可提高光吸收率，提高太陽電池的光電轉換效率。(5)本專利技術采用的分子束外延生長工藝，制備出了高質量GaN薄膜厚度為200～300nm；當GaN厚度達到200～300nm，GaN處于完全弛豫狀態，有利于后期高質量的n型摻雜GaN薄膜的外延生長。(6)本專利技術采用在銀金屬層上沉積一層金屬鋁薄膜，然后進行氮化處理，形成AlN層，有利于后續GaN的生長，克服了無法在非晶態的玻璃襯底上直接生長高質量GaN單晶薄膜的技術難題；采用了低溫(450～550℃)外延技術在AlN緩沖層上先外延生長一層GaN緩沖層，通過生長GaN緩沖層可以獲得島狀GaN，為下一步沉積高質量低缺陷的GaN薄膜做鋪墊，提高器件的發光效率，有望制備出高效LED的器件。(7)本專利技術的生長工藝獨特而簡單易行，具有可重復性。(8)本專利技術可通過摻入不同的組分調制出耐高溫的玻璃襯底。附圖說明圖1是實施例1制備的GaN的截面示意圖。圖2是實施例1制備的GaN薄膜(0002)的XRD圖譜。圖3是實施例1制備的GaN薄膜(10-12)的XRD圖譜。具體實施方式下面結合實施例，對本專利技術作進一步地詳細說明，但本專利技術的實施方式不限于此。實施例1如圖1所示，本實施例的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，包括生長在玻璃襯底10上的鋁金屬層11，生長在鋁金屬層上的銀金屬層12，生長在銀金屬層12上的AlN緩沖層13，生長在AlN緩沖層13上的GaN緩沖層14，生長在GaN緩沖層14上的GaN薄膜15。本實施例的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟：(1)襯底的選取：采用普通玻璃襯底；(2)襯底表面拋光、清洗處理；所述襯底表面拋光，具體為：首先將玻璃襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學顯微鏡觀察襯底表面，直到沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法進行拋光處理；所述清洗，具體為：將玻璃襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3分鐘，去除玻璃襯底表面粘污顆粒，再依次經過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；(3)鋁金屬層的生長：在分子束外延系統中，在襯底溫度為400℃條件下，沉積厚度為150μm的鋁層；(4)銀金屬層的生長：在分子束外延系統中，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，其特征在于，包括生長在玻璃襯底上的鋁金屬層，生長在鋁金屬層上的銀金屬層，生長在銀金屬層上的AlN緩沖層，生長在AlN緩沖層上的GaN緩沖層，生長在GaN緩沖層上的GaN薄膜。

【技術特征摘要】
1.生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，其特征在于，包括生長在玻璃襯底上的鋁金屬層，生長在鋁金屬層上的銀金屬層，生長在銀金屬層上的AlN緩沖層，生長在AlN緩沖層上的GaN緩沖層，生長在GaN緩沖層上的GaN薄膜。2.根據權利要求1所述的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述鋁金屬層的厚度為150～200μm。3.根據權利要求1所述的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述銀金屬層厚度為100～300nm。4.根據權利要求1所述的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述AlN緩沖層厚度為5～50nm。5.根據權利要求1所述的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述GaN緩沖層的厚度為50～80nm。6.根據權利要求1所述的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜，其特征在于，所述GaN薄膜的度為200～300nm。7.權利要求1～6任一項所述的生長在玻璃襯底上的GaN薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)對玻璃襯底表面進行拋光、清洗；(2)鋁金屬層的生長：在分子束外延系統中，在襯底溫度為400～600℃條件下，沉積厚度為150～200μm的鋁金屬層；(3)銀金屬層的生長：在分子束外延系統中，采用分子束外延系統中的電子束蒸發功能，在襯底溫度為400～600℃條件下，在得到的鋁金屬層上沉積銀金屬層；(4)AlN緩沖層的生長：襯底溫度為450～550...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李國強，高芳亮，張曙光，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44