[實用新型]生長在W襯底上的GaN薄膜

有效

• 申請號: 201420368656.4
• 申請日: 2014-07-03
• 公開（公告）號: CN204067411U
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發明（設計）人: 李國強;王文樑;劉作蓮;楊為家;林云昊;周仕忠;錢慧榮
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L33/02
• 分類號: H01L33/02;H01L33/12
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳文姬

技術領域

本實用新型涉及GaN薄膜，特別涉及一種生長在W襯底上的GaN薄膜。

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。

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，一個主要原因是其藍寶石襯底與外延層失配大、熱導率差。由于藍寶石與GaN的晶格失配高達17％，導致外延GaN薄膜過程中形成很高的位錯密度，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GaN基器件的性能。其次，由于室溫下藍寶石熱膨脹系數(6.63×10^-6/K)較GaN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GaN基LED器件的電學和光學性質。

因此迫切需要尋找一種熱導率高、可以快速地將LED結區的熱量傳遞出來的材料作為襯底。而金屬W作為外延氮化物的襯底材料，具有三大其獨特的優勢。第一，金屬W有很高的熱導率，W的熱導率為1.74W/cmK，可以將LED芯片內產生的熱量及時的傳導出，降低器件結區溫度，一方面提高器件的內量子效率，另一方面有助于解決器件散熱問題。第二，金屬W可以作為生長GaN基垂直結構的LED器件的襯底材料，可直接在襯底上鍍陰極材料，P-GaN上鍍陽極材料，使得電流幾乎全部垂直流過GaN-基的外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產生的熱量減小，對器件的散熱有利；另外，可以將陰極材料直接鍍在金屬襯底上，不需要通過腐蝕P-GaN層和有源層將電極連在N-GaN層，這樣充分利用了有源層的材料。第三，金屬W襯底材料相對其他襯底，價格更便宜，可以極大地降低器件的制造成本。正因為上述諸多優勢，金屬襯底現已被嘗試用作III族氮化物外延生長的襯底材料。

但是金屬W襯底在高溫下化學性質不穩定，當外延溫度高于600℃的時候，外延氮化物會與金屬襯底之間發生界面反應，嚴重影響了外延薄膜生長的質量。III族氮化物外延生長的先驅研究者、著名科學家Akasaki等人就曾嘗試應用傳統的MOCVD或者MBE技術直接在化學性質多變的襯底材料上外延生長氮化物，結果發現薄膜在高溫下外延相當困難。

實用新型內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種生長在W襯底上的GaN薄膜，具有位錯密度低、晶體質量好的優點。

本實用新型的目的通過以下技術方案實現：