[發明專利]一種生長在圖形化硅襯底上的半極性GaN薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201410256346.8
• 申請日: 2014-06-10
• 公開（公告）號: CN104037291B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 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: H01L33/20
• 分類號: H01L33/20;H01L33/16;H01L33/00
• 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

技術領域

本發明涉及一種半極性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

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，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。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。

但是，由于現在GaN基LED大都基于極性面構建而成。由于GaN沿[0001]方向即生長方向上極化的不連續，界面處形成二維的自由電子氣，造成很強的內電場(量級為MV/cm)，盡管這對于某些要求高遷移率的器件是有利的[10]，但在極性面GaN上，電子與空穴質心不重合，容易形成電偶極子，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(Quantum-confined Starker Effect，QCSE)，導致能帶彎曲、傾斜，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，光譜出現紅移現象，這在一定程度上又限制了大功率、高效率白光LED的發展。

雖然有多種方法理論可以克服極化效應引起的量子束縛斯塔克效應，但從可行性分析來看，并非都能達到預定效果。比如用摻雜屏蔽的方法來解決極化造成的能帶傾斜，由于強內電場的存在，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對稱性高、不產生自發極化現象的立方相GaN以解決問題，但因為立方相是亞穩態，要想獲得高質量的立方相GaN薄膜無疑又增大了技術難度。而非極性/半極性面氮化物薄膜因能有效避免或削弱常規極性面氮化物LED的自發極化和壓電極化效應的影響，增加輻射復合的概率，大大提高器件的發光效率，越來越受科研人員的重視。目前國際上公認的最有效的方法，也就是生長非極性面或半極性面的薄膜，即通過生長出生長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極化效應的影響，而且在無剪切應力的情況下，壓電效應的影響也將大為減弱。

另外，在襯底方面，通常GaN基LED制備所使用的襯底為藍寶石以及SiC。但由于藍寶石襯底價格較高，導致現階段LED芯片價格處于一個較高的水平。其次，由于藍寶石熱導率低(100℃時為25W/m.K)，很難將芯片內產生的熱量及時排出，導致熱量積累，降低了器件的內量子效率，從而最終影響器件的性能。對于SiC而言，雖然不存在上述的缺點，但高昂的價格制約了它的應用；另外，SiC襯底制備GaN基LED的專利只掌握在少數的外國公司手上。因此我們迫切需要尋找一種價格低廉，具有高熱導率的新型襯底。

Si襯底由于具有成熟的制備工藝，高的結晶質量，以及低廉的價格，高達100W/m.K的熱導率，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％)，會在生長過程中產生大量的穿透位錯，甚至在降溫過程中產生引入張引力而產生裂紋。此外，Ga與Si之間存在的合金共熔現象也容易導致在外延過程中發生回熔刻蝕現象發生，從而導致表面出現大量回熔刻蝕坑，進而導致外延失敗。以上問題也正是制約Si襯底制備LED器件的主要問題。

發明內容