[發明專利]生長在LiGaO2襯底上的非極性摻雜GaN薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201210535131.0
• 申請日: 2012-12-11
• 公開（公告）號: CN103031595A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 李國強;楊慧
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C30B25/02
• 分類號: C30B25/02;C30B25/18;C30B25/00;C30B29/38
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及非極性摻雜GaN薄膜及其制備方法，特別涉及生長在LiGaO₂襯底上的非極性摻雜GaN薄膜及其制備方法。

背景技術

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應用于各種普通照明、指示、顯示、裝飾、背光源、和城市夜景等領域。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。

III族氮化物半導體材料GaN是制造高效LED器件最為理想的材料。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。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，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，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。

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。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，LED芯片的發光效率不夠高，一個主要原因是由于其藍寶石襯底造成的。基于藍寶石襯底的LED技術存在兩個嚴峻的問題。首先，藍寶石與GaN晶格的失配率高達17%，如此高的晶格失配使得藍寶石上的LED外延片有很高的缺陷密度，大大影響了LED芯片的發光效率。其次，藍寶石襯底價格十分昂貴，使得氮化物LED生產成本很高(藍寶石襯底在LED的制作成本中占有相當大的比例)。

LED芯片的發光效率不夠高的另外一個主要原因是由于目前廣泛使用的GaN基LED具有極性。目前制造高效LED器件最為理想的材料是GaN。GaN為密排六方晶體結構，其晶面分為極性面c面[(0001)面]和非極性面a面[(11-20)面]及m面[(1-100)面]。目前，GaN基LED大都基于GaN的極性面構建而成。在極性面GaN上，Ga原子集合和N原子集合的質心不重合，從而形成電偶極子，產生自發極化場和壓電極化場，進而引起量子束縛斯塔克效應(Quantμm-confined?Starker?Effect，QCSE)，使電子和空穴分離，載流子的輻射復合效率降低，最終影響LED的發光效率，并造成LED發光波長的不穩定。解決這一問題最好的辦法是采用非極性面的GaN材料制作LED，以消除量子束縛斯塔克效應的影響。理論研究表明，使用非極性面GaN來制造LED，將可使LED發光效率提高近一倍。

由此可見，要使LED真正實現大規模廣泛應用，提高LED芯片的發光效率，并降低其制造成本，最根本的辦法之一就是研發新型襯底上的非極性GaN基LED外延芯片。而非極性GaN薄膜的n型與p型摻雜是實現非極性GaN基LED的前提條件，因此新型襯底上外延生長非極性GaN薄膜的n型與p型摻雜一直是研究的熱點和難點。

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種生長在LiGaO₂襯底上的非極性摻雜GaN薄膜，具有晶體質量好，摻雜濃度高，載流子遷移率高的優點。本發明的另一目的在于提供上述非極性摻雜GaN薄膜的制備方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

生長在LiGaO₂襯底上的非極性摻雜GaN薄膜，包括由下至上依次排列的LiGaO₂襯底、非極性m面GaN緩沖層、非極性m面GaN外延層、非極性摻雜GaN薄膜；所述非極性GaN薄膜為非極性p型GaN薄膜或非極性n型GaN薄膜。

所述LiGaO₂襯底的晶體取向為(100)晶面偏向(110)方向0.2~0.5°。