[發明專利]一種生長在Ce:YAG單晶襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201711399602.9
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108269889A
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發明（設計）人: 向衛東;蔣舉濤;梁曉娟
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種生長在Ce：YAG單晶襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應用，其結構包括Ce：YAG單晶襯底和生長在Ce：YAG單晶襯底上的GaN薄膜；Ce：YAG單晶襯底以(111)面為外延面，Ce：YAG單晶襯底與GaN薄膜的取向關系為：Ce：YAG單晶襯底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面。由此生長的GaN薄膜的晶體質量好。本發明亦公開了生長在Ce：YAG單晶襯底上的GaN薄膜的制備方法，該制備工藝方法簡單，制備成本低，可用于批量生產，易于商業化。此外，本發明還把生長在Ce：YAG單晶襯底上的GaN薄膜應用于LED器件中。

技術領域

本發明涉及GaN薄膜技術領域，尤其是一種生長在Ce：YAG單晶襯底上的GaN 薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

發光二極管(LED)具有體積小、發熱量低、耗電量小、壽命長、反應速度快、環保、可平面封裝、易開發成輕薄小巧產品等優點，被譽為將超越白熾燈、熒光燈的“第四代照明光源”，應用前景十分廣闊。LED技術不斷發展并且白光LED光源器件被廣泛應用于顯LED背光源，醫療設備和汽車照明等領域。特別是面對未來大功率照明的市場需要，LED要真正實現廣泛的大規模應用，其發光效率仍將需要進一步提高。目前，LED的芯片主要是有生長在藍寶石(α-Al₂O₃)襯底上的GaN材料所制備的，然而，由于藍寶石和GaN之間的晶格失配高達13.3％，導致外延GaN薄膜的過程中產生了密度為～10⁹cm^-2的位錯缺陷，從而導致材料的載流子遷移率降低，縮短載流子的壽命，進而影響了GaN基器件的性能。其次，由于藍寶石的熱導率低(25W/m×K，100℃)，很難將芯片工作時產生的熱量及時排除，從而導致熱量積累，使器件的內量子效率降低，最終影響了器件的性能。因此，尋找一種與GaN材料的晶格匹配且導熱性能良好的襯底材料，用于 GaN薄膜的外延生長顯得尤為重要。

發明內容

為了克服現有技術的缺陷，本發明提供了一種生長在Ce：YAG單晶襯底上的 GaN薄膜，生長出的GaN薄膜的晶體質量好，可以顯著提高GaN基器件的性能。

本發明的第二個目的在于提供所述一種生長在Ce：YAG單晶襯底上的GaN薄膜的制備方法，該制備方法工藝簡單，制備成本低廉，可用于批量生產，易于商業化。

本發明的第一個目的采用以下技術方案實現：一種生長在Ce：YAG單晶襯底上的GaN薄膜，包括Ce：YAG單晶襯底和生長在所述的Ce：YAG單晶襯底上的GaN 薄膜，所述的Ce：YAG單晶襯底以(111)面為外延面，所述Ce：YAG單晶襯底與所述GaN薄膜的取向關系為：Ce：YAG單晶襯底的(111)面平行于GaN薄膜的 (0001)面。

進一步的，所述GaN薄膜厚度為100-300nm。

本發明的第二個目的采用以下技術方案實現：一種生長在Ce：YAG單晶襯底上的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：以Ce：YAG單晶為襯底，以Ce：YAG單晶(111)面為外延面，選取該外延面供GaN薄膜生長；Ce：YAG單晶襯底與外延生長出的GaN 薄膜的取向關系為：Ce：YAG單晶襯底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001) 面；

②對Ce：YAG單晶襯底先進行精細拋光處理和表面退火處理，將Ce：YAG單晶進行單面精細拋光，拋光后將Ce：YAG單晶放入反應室內在保護氣體氛圍中進行原位退火處理以使得Ce：YAG單晶襯底獲得原子級平整的表面；

③將經過步驟②處理的Ce：YAG單晶襯底進行高溫處理(1000-1200℃)，以除去Ce：YAG單晶襯底表面吸附的雜質；

④采用采用金屬有機化合物化學氣相淀積法(MOCVD)以及GaN兩步生長法在 Ce：YAG單晶襯底下生長GaN薄膜。