本发明专利技术涉及一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜，包括Al2O3衬底及其(0001)面往(10-10)面偏0.2°方向依次外延生长的AlN形核层和GaN薄膜。本发明专利技术还涉及该GaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：a.将Al2O3衬底进行清洁、退火处理；b.在经过a步骤处理的Al2O3衬底上再外延生长一层AlN形核层；c.在经过b步骤生长出的AlN形核层上外延生长一层GaN薄膜。本发明专利技术还涉及一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜用于制备LED、光电探测器和太阳能电池。本发明专利技术的GaN薄膜成本低、质量优、均匀性高，应用广泛。
【技术实现步骤摘要】
生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种GaN薄膜及其制备方法和应用，尤其是涉及一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
与传统光源相比，发光二极管(LED)具有耗电量低、寿命长、亮度高、体积小，适应性和可控性强等突出特点，是一种新型固体照明光源和绿色光源，在室内外照明及装饰工程等领域具有广泛的应用。在石化能源越来越枯竭、全球气候变暖问题越来越严峻的时代背景下，节能减排成为了全球共同面对的重要课题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，经过40多年研发攻关及开发应用，全球性的半导体照明产业已经逐渐形成。LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，将成为新一代主流照明产品。21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代，但是现阶段LED的发光效率低，成本造价高，大大限制LED向高效节能环保的方向发展。近几年，II1-族氮化物GaN以其在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，受到广泛关注。GaN是直接带隙宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿介电强度高、电子漂移饱和速度高、化学性能和导热性能好等优点，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的发光效率现在已经达到28%并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯(约为2% )或荧光灯(约为10% )等照明方式的发光效率。数据统计表明，我国目前的照明用电每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的总用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。并可减少二氧化碳和其他温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。另外，与荧光灯相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。要降低LED的造价成本，使LED要真正实现大规模广泛应用，首先需要进一步提高GaN薄膜的均匀性。GaN薄膜的均匀性不仅影响到整个器件的光学特性，而且对薄膜的利用率、LED的成品率和成本有非常重要的影响。在各种GaN薄膜制备技术中，脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD)技术以其操作方便、沉积效果好以及可以在多种衬底上制备等优势而得到重视，特别在军工领域得到广泛应用。但是由于激光产生的等离子体羽的区域很小，很难制备出高均匀性的GaN薄膜，成为脉冲激光沉积的限制条件之一。因此迫切需要寻找一种调试薄膜厚度均匀性的方法应用于外延生长GaN薄膜。
技术实现思路
为了解决现有技术难以外延生长均匀性的GaN薄膜，本专利技术提供了一种低成本、质量优、均匀性高的一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜及其制备方法和应用。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下:一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜，包括Al2O3衬底及其(0001)面往(10-10)面偏0.2°方向依次外延生长的AlN形核层和GaN薄膜；所述AlN形核层的厚度为5-1Onm ;所述GaN薄膜的厚度为100_200nm。采用Al2O3衬底以(0001)面往(10-10)面偏0.2。方向作为外延方向，晶体外延取向关系为:GaN 的(0001)面平行于 Al2O3 的(0001)面，即 GaN(0001)//Al2O3 (0001)。Al2O3 方向具有与GaN相同的六方对称性(有30°旋转)，Al2O3的生长工艺成熟，价格低廉。本专利技术中，优选的方案为所述AlN形核层以及GaN薄膜的厚度的不均匀性为1-3%。一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜的方法，包括如下步骤:a.将Al2O3衬底进行清洁、退火处理；退火处理可去除衬底表面的机械损伤,使衬底获得原子级平整的表面。b.将经过a步骤处理的Al2O3衬底在其(0001)面往(10-10)面偏0.2。方向作为晶体外延生长方向，外延一层AlN形核层，所述AlN形核层的厚度为5-10nm ；c.采用脉冲激光沉积工艺在经过b步骤生长出的AlN形核层上外延生长一层GaN薄膜，所述GaN薄膜的厚度为100-200nm。所述AlN形核层的厚度为5_10nm，即为数个原子层的厚度，中心与边沿厚度差极小，可以提供GaN形核的中心，为接下来外延生长高质量高均匀性GaN薄膜奠定基础。进一步优选的是，所述a步骤的清洗具体为:将Al2O3衬底放入去离子水中室温下超声清洗3-5分钟，去除Al2O3衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干。进一步优选的是，所述a步骤的退火具体为:将Al2O3衬底放入退火室内，在800-900°C下空气氛围中对Al2O3衬底进行退火处理1-2小时。进一步优选的是，所述b步骤外延生长AlN形核层具体为:在Al2O3衬底温度为750-850°C，生长室的压力为l-5mTorr、RF功率为400-500W、衬底转速为5-10rad/s的条件下对Al2O3衬底进行射频等离子体辅助氮化处理60-90分钟。进一步优选的是，所述c步骤的外延生长GaN薄膜具体为:采用脉冲激光沉积工艺，将Al2O3衬底保持在700-750°C，反应室的压力控制在10_30mTorr，RF功率为400-500W，以248nm KrF气体准分子激光为光源，以液态Ga作为靶材，以纯度99.99999%的氮气为环境气体和反应气体，将衬底转速为5-lOrad/s，靶材转速为5-lOrad/s，光栅的扫描参数设置如下:扫描位置为0-2500时，扫描速度为80-100rad/s ;扫描位置为2500-4500时，扫描速度为60-80rad/s ;扫描位置为4500-6500时，扫描速度为40_60rad/s ;扫描位置为6500-8000时，扫描速度为20-40rad/s ;扫描位置为8000-9500时，扫描速度为10_20rad/s ;扫描位置为9500-8000时，扫描速度为10-20rad/s ;扫描位置为8000-6500时，扫描速度为20-40rad/s ;扫描位置为6500-4500时，扫描速度为40_60rad/s ;扫描位置为4500-2500时，扫描速度为60-80rad/s ;扫描位置为2500-0时，扫描速度为80_100rad/s。其中，以纯度99.99999%的氮气为环境气体和反应气体(以保证化学计量的薄膜沉积所需的压力和氮源)，为了得到均匀的GaN薄膜，将衬底转速为5-lOrad/s，靶材转速为5-lOrad/s，光栅的扫描参数设置如上列举。上述条件下，在步骤b得到的AlN形核层上生长GaN薄膜。AlN形核层降低了 Al2O3(晶格常数a=4.758 A)与GaN (晶格常数a=3.189人)之间的晶格失配，有利于GaN薄膜质量的提高。利用光栅的转动使得激光光束在靶材的一条半径线上往返扫描，配合靶材的匀速转动，使得激光光束可以扫过靶材表面每一点并轰击出靶材物质的等离子体羽辉；对应的，激光轰击靶材而产生的等离子体羽辉也将在衬底的一条半径线上往返扫描，配合衬底的匀速转动，使得羽辉束可以扫过衬底表面的每一点，令靶材物质能在衬底的整个表面附着并迁移成膜。通过调节光栅各点的扫描速度，可使靶本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜，其特征在于：包括Al2O3衬底及其(0001)面往(10‑10)面偏0.2°方向依次外延生长的AlN形核层和GaN薄膜；所述AlN形核层的厚度为5‑10nm；所述GaN薄膜的厚度为100‑200nm。
【技术特征摘要】
1.一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜，其特征在于:包括Al2O3衬底及其(0001)面往(10-10)面偏0.2°方向依次外延生长的AlN形核层和GaN薄膜；所述AlN形核层的厚度为5-10nm ;所述GaN薄膜的厚度为100_200nm。2.根据权利要求1所述的生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜，其特征在于所述AlN形核层以及GaN薄膜的厚度的不均匀性为1_3%。3.根据权利要求1所述的生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤: a.将Al2O3衬底进行清洁、退火处理； b.将经过a步骤处理的Al2O3衬底在其(0001)面往(10-10)面偏0.2°方向作为晶体外延生长方向，外延一层AlN形核层，所述AlN形核层的厚度为5-10nm; c.采用脉冲激光沉积工艺在经过b步骤生长出的AlN形核层上外延生长一层GaN薄膜，所述GaN薄膜的厚度为100-200nm。4.根据权利要求3所述的生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜的方法，其特征在于所述a步骤的清洗具体为:将Al2O3衬底放入去离子水中室温下超声清洗3-5分钟，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干。5.根据权利要求3所述的生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜的方法，其特征在于所述a步骤的退火具体为:将Al2O3衬底放入退火室内，在800-900°C下氮气氛围中对Al2O3衬底进行退火处理1-2小时。6.根据权利要求3所述的生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜的方法，其特征在于所述b步骤外延生长AlN形核层具体为:在Al2O3衬底温度为7...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：广州市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44
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