一种生长在Ce:YAG单晶衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用，其结构包括Ce：YAG单晶衬底和生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜；Ce：YAG单晶衬底以(111)面为外延面，Ce：YAG单晶衬底与GaN薄膜的取向关系为：Ce：YAG单晶衬底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面。由此生长的GaN薄膜的晶体质量好。本发明专利技术亦公开了生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，该制备工艺方法简单，制备成本低，可用于批量生产，易于商业化。此外，本发明专利技术还把生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜应用于LED器件中。

【技术实现步骤摘要】
一种生长在Ce:YAG单晶衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及GaN薄膜
，尤其是一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
发光二极管(LED)具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、可平面封装、易开发成轻薄小巧产品等优点，被誉为将超越白炽灯、荧光灯的“第四代照明光源”，应用前景十分广阔。LED技术不断发展并且白光LED光源器件被广泛应用于显LED背光源，医疗设备和汽车照明等领域。特别是面对未来大功率照明的市场需要，LED要真正实现广泛的大规模应用，其发光效率仍将需要进一步提高。目前，LED的芯片主要是有生长在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上的GaN材料所制备的，然而，由于蓝宝石和GaN之间的晶格失配高达13.3％，导致外延GaN薄膜的过程中产生了密度为～109cm-2的位错缺陷，从而导致材料的载流子迁移率降低，缩短载流子的寿命，进而影响了GaN基器件的性能。其次，由于蓝宝石的热导率低(25W/m×K，100℃)，很难将芯片工作时产生的热量及时排除，从而导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响了器件的性能。因此，寻找一种与GaN材料的晶格匹配且导热性能良好的衬底材料，用于GaN薄膜的外延生长显得尤为重要。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，生长出的GaN薄膜的晶体质量好，可以显著提高GaN基器件的性能。本专利技术的第二个目的在于提供所述一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，该制备方法工艺简单，制备成本低廉，可用于批量生产，易于商业化。本专利技术的第一个目的采用以下技术方案实现：一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，包括Ce：YAG单晶衬底和生长在所述的Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，所述的Ce：YAG单晶衬底以(111)面为外延面，所述Ce：YAG单晶衬底与所述GaN薄膜的取向关系为：Ce：YAG单晶衬底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面。进一步的，所述GaN薄膜厚度为100-300nm。本专利技术的第二个目的采用以下技术方案实现：一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤：①衬底以及其晶向的选取：以Ce：YAG单晶为衬底，以Ce：YAG单晶(111)面为外延面，选取该外延面供GaN薄膜生长；Ce：YAG单晶衬底与外延生长出的GaN薄膜的取向关系为：Ce：YAG单晶衬底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面；②对Ce：YAG单晶衬底先进行精细抛光处理和表面退火处理，将Ce：YAG单晶进行单面精细抛光，抛光后将Ce：YAG单晶放入反应室内在保护气体氛围中进行原位退火处理以使得Ce：YAG单晶衬底获得原子级平整的表面；③将经过步骤②处理的Ce：YAG单晶衬底进行高温处理(1000-1200℃)，以除去Ce：YAG单晶衬底表面吸附的杂质；④采用采用金属有机化合物化学气相淀积法(MOCVD)以及GaN两步生长法在Ce：YAG单晶衬底下生长GaN薄膜。进一步的，所述步骤②中，将Ce：YAG单晶进行单面精细抛光至表面粗糙度＜0.1nm；然后对Ce：YAG单晶衬底进行表面退火处理，具体操作如下：将Ce：YAG单晶放入反应室内，在800-900℃下氮气氛围中进行原位退火处理2-3h。进一步的，所述步骤③中，将经过步骤②处理的Ce：YAG单晶衬底在1000-1200℃的H2气氛下进行高温处理，除去表面吸附的杂质。然后，在经过热处理的Ce：YAG单晶衬底首先在500-600℃的低温下生长出一层GaN缓冲层，经过退火处理，缓冲层的表面形态会得到显著的改善，而且边界的低角度密度大大降低，随后在高温(1000-1200℃)下在缓冲层上通过MOCVD的方法生长出GaN外延层。在实际应用中，生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜可应用在LED器件中。采用上述方案，本专利技术具有如下优势：(1)本专利技术所提供的生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，采用与GaN晶格适配度较低的Ce：YAG单晶为衬底，能够有效减少位错，半峰宽数值小，位错密度低，制备出的GaN薄膜质量高，从而得到的GaN基光电材料器件的载流子辐射复合效率高，可大幅度提升氮化物器件半导体激光器、发光二极管的效率。(2)本专利技术所提供的生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，Ce：YAG单晶以(111)面为外延面，外延生长GaN薄膜；与GaN薄膜的取向关系为：Ce：YAG单晶衬底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面，即Ce：YAG(111)//GaN(0001)。Ce：Y3Al5O12的(111)面具有与GaN(0001)面相同的六方对称性，立方相的Ce：Y3Al5O12的(111)面的晶格参数为：acub＝12.01，因此六方相的Ce：Y3Al5O12的(111)面的晶格参数为acub＝6.93，与GaN(111)面晶格参数aGaN＝3.19的两倍十分接近，因此两者的晶格失配度相对较小，保证了Ce：Y3Al5O12衬底与GaN薄膜之间的有较高的晶格适配度，有利于外延生长出高质量的GaN薄膜。(3)本专利技术所提供的生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，在外延GaN薄膜前，对Ce：YAG单晶进行精细抛光和表面高温热处理，精细抛光和高温热处理可使衬底获得原子级平整的表面，有助于GaN薄膜的生长。(4)本专利技术所提供的生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，采用金属有机化合物化学气相淀积法(MOCVD)制备GaN薄膜，能够为GaN在Ce：YAG单晶衬底上的外延生长提供足够的能量，而且格较低，可以选择多种金属有机化合物作为源材料，因此具有生长多种化合物半导体的灵活性，不仅能够制备高纯材料，还能对生长的极薄层材料的厚度、组分和界面进行精确的控制，重复的生长大面积、均匀外延层的能力，有利于提高GaN薄膜的质量且适用于批量生产。(5)本专利技术所提供的生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，采用Ce：YAG单晶为衬底，采用MOCVD技术在Ce：YAG单晶衬底上先低温生长一层GaN缓冲层，获得岛状GaN，为下一步沉积高质量的GaN薄膜做铺垫。(6)本专利技术所提供的生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，生长工艺独特且简单易行，具有可重复性。下面结合附图对本专利技术作进一步描述。附图说明附图1为本专利技术所提供的生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的截面示意图；附图2为本专利技术实施例1制备的GaN薄膜的高分辨X射线衍射(HRXRD)图谱；附图3为本专利技术实施例1制备的GaN薄膜的高分辨透射电镜(HRTEM)图谱。具体实施方式本专利技术的保护范围不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本专利技术公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本专利技术的，或者凡是采用本专利技术的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本专利技术的保护范围。下面以具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此。如图1所示，生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，包括Ce：YAG单晶衬底11，GaN薄膜12，GaN薄膜12外延生长在Ce：YAG单晶衬底11本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，其特征在于：包括Ce：YAG单晶衬底和生长在所述的Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，所述的Ce：YAG单晶衬底以(111)面为外延面，所述Ce：YAG单晶衬底与所述GaN薄膜的取向关系为：Ce：YAG单晶衬底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面。

【技术特征摘要】
1.一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，其特征在于：包括Ce：YAG单晶衬底和生长在所述的Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，所述的Ce：YAG单晶衬底以(111)面为外延面，所述Ce：YAG单晶衬底与所述GaN薄膜的取向关系为：Ce：YAG单晶衬底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面。2.根据权利要求1所述的一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述GaN薄膜厚度为100-300nm。3.一种生长在Ce：YAG单晶衬底上的GaN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：①衬底以及其晶向的选取：以Ce：YAG单晶为衬底，以Ce：YAG单晶(111)面为外延面，选取该外延面供GaN薄膜生长；Ce：YAG单晶衬底与外延生长出的GaN薄膜的取向关系为：Ce：YAG单晶衬底的(111)面平行于GaN薄膜的(0001)面；②对Ce：YAG单晶衬底先进行精细抛光处理和表面退火处理，将Ce：YAG单晶进行单面精细抛光，抛光后将Ce：YAG单晶放入反应室内在保护气体氛围中进行原位退火处理以使得Ce：YAG单晶衬底获得原子级平整的表面；③将经过步骤②处理的Ce：YAG单晶衬底进行高...

【专利技术属性】
技术研发人员：向卫东，蒋举涛，梁晓娟，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33