[實用新型]生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜

有效

• 申請號: 201620979038.2
• 申請日: 2016-08-29
• 公開（公告）號: CN206225325U
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 李國強;王文樑;朱運農;楊為家
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L31/18;H01L31/0304;H01L33/00;H01L33/32;H01S5/323;H01S5/343
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 羅觀祥

技術領域

本實用新型涉及GaN薄膜，特別涉及生長在鋁酸鎂鈧(ScMgAlO₄)襯底上的GaN薄膜。

背景技術

GaN及III-族氮化物由于寬禁帶、穩定的物理化學性質、高的熱導率和高的電子飽和速度等優點，廣泛應用于發光二極管(LED)、激光器和光電子器件等方面。

目前，GaN基器件主要是基于藍寶石襯底。藍寶石與GaN的晶格失配高達13.3％，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^-6K^-1)較GaN的熱膨脹系數(5.6×10^-6K^-1)大，兩者間的熱失配度約為27％；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25W/m.K)，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。因此迫切尋找一種晶格和熱膨脹系數匹配的襯底材料應用于外延生長GaN薄膜。

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鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜，鋁酸鎂鈧襯底材料與GaN的晶格失配率僅為1.8％，熱失配小(9.7％)，有利于GaN的形核；基于此襯底材料生長的GaN薄膜，具有晶體質量好，位錯密度低的優點。

本實用新型的目的通過以下技術方案實現：

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜，包括依次生長在ScMgAlO₄襯底上的GaN緩沖層、GaN形核層，GaN非晶層和GaN薄膜。

所述ScMgAlO₄襯底以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°為外延面。

所述GaN緩沖層的厚度為30～80nm。

所述GaN形核層的厚度為50～150nm。

所述GaN非晶層的厚度為10～120nm。

所述GaN薄膜的厚度為100～500nm。

生長在鋁酸鎂鈧襯底上的GaN薄膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選取：采用ScMgAlO₄襯底，以(0001)面偏(11-20)面0.5～1°為外延面，晶體外延取向關系為：GaN的(0001)面平行于ScMgAlO₄的(0001)面；

(2)襯底退火處理：將襯底放入退火室內，在600～700℃下對ScMgAlO₄襯底進行退火處理1～2h，獲得原子級平整的襯底表面；

(3)GaN緩沖層外延生長：襯底溫度調為450～550℃，采用脈沖激光沉積在反應室的壓力為1.0～4.0×10^-5Pa、激光能量密度為1.5-3.0J/cm²的條件下生長GaN緩沖層；

(4)GaN形核層的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在500～600℃，在反應室的壓力為6.0～8.0×10^-5Pa、生長速度為0.6～0.8ML/s條件下，在步驟(3)得到的GaN緩沖層上生長GaN薄膜；

(5)GaN非晶層的生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在350～400℃，在反應室的壓力為1.2～2.0×10^-4Pa、生長速度為0.5～0.6ML/s條件下，在步驟(4)得到的GaN形核層上生長GaN非晶層，釋放生長中引入的應力；

(6)GaN薄膜的外延生長：采用分子束外延生長工藝，將襯底保持在500～600℃，在反應室的壓力為6.0～8.0×10^-5Pa、生長速度為0.6～0.8ML/s條件下，在步驟(5)得到的GaN非晶層上生長GaN薄膜。