[發(fā)明專利]一種生長在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210535097.7
• 申請日: 2012-12-11
• 公開（公告）號: CN103035496A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發(fā)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: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;H01L33/32;H01L31/0352
• 代理公司: 廣州市越秀區(qū)哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 湯喜友

?

技術領域

本發(fā)明涉及GaN薄膜領域，具體涉及一種生長在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應用。

?

背景技術

Ⅲ族氮化鎵多元系材料屬于直接帶隙的半導體材料，帶隙可以從0.7eV?連續(xù)調(diào)節(jié)到6.2eV?，顏色覆蓋從紅外到紫外波長，在光電子如藍光、綠光、紫外光發(fā)光二極管（LED）、短波長激光二極管（LD）、紫外探測器、布拉格反射波導等方面具有重要的應用和發(fā)展。另外GaN作為第三代半導體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場和高熱導率、優(yōu)異的物理化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在微電子應用方面也得到了廣泛的關注。自I.?Akasaki首次成功獲得p-GaN，實現(xiàn)藍光LED的新突破后，GaN基化合物半導體一直備受關注，在室內(nèi)照明、商業(yè)照明、工程照明等領域有著廣泛的應用。

高質(zhì)量GaN材料一般都通過異質(zhì)外延方法制作。襯底的選擇對外延生長GaN材料的質(zhì)量影響很大，一般需要遵循晶格常數(shù)匹配、熱膨脹系數(shù)匹配、價格適宜等原則。不同襯底材料對GaN基LED器件的制備工藝也有非常重要的影響。譬如由于GaN晶體存在著自發(fā)極化和壓電極化效應，不同的襯底會使所獲得的材料表現(xiàn)出不同的極化特性。此外，由于不同材料價格差異較大，襯底材料的不同還會使LED的成本產(chǎn)生較大的差別。由此可見，GaN基LED襯底材料的選擇至關重要。

作為常用于生長GaN的襯底，藍寶石、SiC、Si目前都已實現(xiàn)器件級LED的制備，但各自襯底材料所帶來的外延層生長問題，還需要不斷攻克。藍寶石有穩(wěn)定的物理化學性質(zhì)，但它與GaN間存在很大的晶格失配（16%）及熱應力失配（25%），造成生長的GaN外延層質(zhì)量較差。同時它導熱性能差，這也嚴重制約著藍寶石襯底大功率LED的發(fā)展。SiC雖然與GaN的晶格失配度僅3.5%，導熱率較高，但它的熱應力失配與藍寶石相當（25.6%），與GaN的潤濕性較差，價格昂貴。Si襯底具有成本低、單晶尺寸大且質(zhì)量高、導熱率高、導電性能良好等諸多特點，且Si的微電子技術十分成熟，因此Si襯底上生長GaN薄膜有望實現(xiàn)光電子和微電子的集成。正是因為Si襯底的上述諸多優(yōu)點，Si襯底上生長GaN薄膜進而制備LED越來越備受關注。但是，目前在Si襯底上制備GaN單晶薄膜的質(zhì)量不如藍寶石襯底，主要原因是：一、Si與GaN熱膨脹失配遠遠高于藍寶石，導致外延片更易于龜裂；二、Si襯底遇活性N在界面處易形成無定形的Si_xN_y，影響GaN的生長質(zhì)量；三、Si對可見光的吸收作用也會大大降低LED發(fā)光效率。

由此可見，即便Si襯底具有成本低、散熱好，且方便制成垂直器件等優(yōu)點，具有非常良好的發(fā)展前景，但要在Si襯底上生長高質(zhì)量GaN薄膜，需要尋找Si襯底上生長GaN薄膜的新方法及工藝。

?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種生長在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法，該制備方法獨特而易行，具有可重復性，制得的GaN薄膜的缺陷密度低、晶體質(zhì)量高、電學和光學性質(zhì)優(yōu)異。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種生長在Si襯底上的GaN薄膜，其特征在于：包括Si襯底層、生長在Si襯底層上的Al₂O₃保護層、生長在Al₂O₃保護層上的GaN薄膜層。本發(fā)明先在Si襯底層上生長Al₂O₃保護層，之后再生長GaN薄膜層，Al₂O₃保護層能夠有效防止Si襯底的界面處與活性N反應形成無定形的Si_xN_y，從而避免了Si_xN_y層對GaN生長質(zhì)量的影響，獲得高質(zhì)量的GaN薄膜。另外，Al₂O₃保護層能夠緩解Si襯底與GaN間巨大的熱應力失配（114%），同時防止Si擴散到GaN中。

優(yōu)選地，所述Al₂O₃保護層的厚度為3－5nm。

一種生長在Si襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括選取Si襯底；選取Si襯底的（111）晶面鍍上一層Al層，然后通入氧等離子體至形成Al₂O₃保護層；再在Al₂O₃保護層上生長GaN薄膜層。