[發明專利]生長在金屬Ag襯底上的GaN單晶薄膜及其制備方法、應用

有效

• 申請號: 201210485524.5
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN102945899A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 李國強
• 申請（專利權）人: 廣州市眾拓光電科技有限公司
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/02;H01L33/32
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 湯喜友

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技術領域

本發明涉及一種GaN單晶薄膜，具體涉及一種生長在金屬Ag襯底上的GaN單晶薄膜及其制備方法、應用。

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背景技術

發光二極管（即LED）作為一種新型固體照明光源和綠色光源，由于具有體積小、耗電量低、環保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出的特點，在室外照明、商業照明以及裝飾工程等領域廣泛應用。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，二十一世紀將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是，現階段LED的應用成本較高，發光效率較低，這些因素大大限制了LED向高效節能環保的方向發展。

ⅢA族氮化物AlN（即是氮化鋁）在電學、光學以及聲學上具有極其優異的性質，近幾年來受到廣泛關注。AlN是直接帶隙材料，其聲波傳輸速度快、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，是制造高效的薄膜體聲波諧振器、LED器件等電器件的理想材料。目前，氮化物LED的發光效率現在已經達到28%并且還在進一步增長，該數值遠遠高于目前通常使用的白熾燈（其發光效率約為2%）或熒光燈（其發光效率約為10%）等照明器件的發光效率。數據統計表明，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，可節省接近一半的照明用電量，超過三峽工程全年的發電量。因照明而產生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與熒光燈相比，氮化物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。

LED要真正實現大規模廣泛應用，還需要進一步提高LED芯片的發光效率。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（其發光效率約為150lm/w），單位流明/瓦的價格偏高。目前，LED芯片的發光效率還不夠高的一個主要原因是其應用的GaN單晶薄膜是采用藍寶石為襯底。由于藍寶石與氮化物的晶格失配高達17%，導致外延氮化物薄膜形成過程中有很高的位錯密度，從而降低了材料的載流子遷移率，縮短了載流子壽命，進而影響了氮化物LED器件的性能。其次，由于室溫下藍寶石熱膨脹系數（6.63×10^-6/K）較氮化物的熱膨脹系數（5.6×10^-6/K）大，兩者間的熱失配度約為－18.4%，當外延層生長結束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產生很大的壓應力，容易導致薄膜和襯底的龜裂。再次，由于藍寶石的熱導率低（100℃時為0.25W/cmK），很難將芯片內產生的熱量及時排出，導致熱量積累，使器件的內量子效率降低，最終影響器件的必性能。此外，由于藍寶石是絕緣體，不能制作垂直結構半導體器件，因此，電流在器件中存在橫向流動，導致電流分布不均勻，產生較多熱量，很大程度上影響了氮化物LED器件的電學和光學性質。

因此，行業迫切尋找一種熱導率高可以快速地將LED節區的熱量傳遞出來的材料，作為襯底。

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發明內容

本發明的目的之一在于提供一種生長在金屬Ag襯底上的GaN單晶薄膜；

本發明的目的之二在于提供一種生長在金屬Ag襯底上的GaN單晶薄膜的制備方法；

本發明的目的之三在于提供上述生長在金屬Ag襯底上的GaN單晶薄膜的應用。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種生長在金屬Ag襯底上的GaN單晶薄膜，其采用以下方法制得：采用金屬Ag為襯底，選擇Ag襯底的（111）晶面偏向（100）方向0.5－1°的晶體取向，在金屬單晶Ag(111)襯底上生長出外延AlN單晶薄膜，接著再生長出外延GaN單晶薄膜。