本发明专利技术公开了一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，包括Si衬底、AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜，所述AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜依次生长在Si衬底上，其中，x为0-1。本发明专利技术还公开了一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法和应用。本发明专利技术利用AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层的底层作用，解决了在上生长GaN薄膜过程中产生大量穿透位错的问题，使得生长在Si衬底上的GaN薄膜结构更加稳定，同时，克服了热应力失配给GaN薄膜造成裂纹的技术问题。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，包括Si衬底、AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜，所述AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜依次生长在Si衬底上，其中，x为0-1。本专利技术还公开了一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法和应用。本专利技术利用AlN成核层、AlxGa1-xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层的底层作用，解决了在上生长GaN薄膜过程中产生大量穿透位错的问题，使得生长在Si衬底上的GaN薄膜结构更加稳定，同时，克服了热应力失配给GaN薄膜造成裂纹的技术问题。【专利说明】一种生长在Si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，特别是涉及一种生长在Si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)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题，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，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，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。II1-族氮化物GaN(氮化镓)在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。GaN是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，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，可节省接近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。因照明而产生的温室气体排放也会因此而大大降低。另外，与突光灯相比，GaN基LED不含有毒的萊元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。通常GaN基LED制备所使用的衬底为蓝宝石以及SiC。但由于蓝宝石衬底价格较高，导致现阶段LED芯片价格处于一个较高的水平。其次，由于蓝宝石热导率低(100°C时为25ff/m.K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，降低了器件的内量子效率，从而最终影响器件的性能。对于SiC而言，虽然不存在上述的缺点，但高昂的价格制约了它的应用；另外，SiC衬底制备GaN基LED的专利只掌握在少数的外国公司手上。因此我们迫切需要寻找一种价格低廉，具有高热导率的新型衬底。Si衬底由于具有成熟的制备工艺，高的结晶质量，以及低廉的价格，高达100W/m.K的热导率，成为了制备GaN基LED器件衬底最好的选择之一。但与GaN之间巨大的晶格失配(16.9%)及热失配(54%)，会在生长过程中产生大量的穿透位错，在降温过程中产生引入张引力而产生裂纹。这正是制约Si衬底制备LED器件的主要问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用，本专利技术解决了在Si衬底上生长GaN薄膜过程中产生大量穿透位错的问题，使得生长在Si衬底上的GaN薄膜结构更加稳定，克服了热应力失配给GaN薄膜造成裂纹的技术问题。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Si衬底上的GaN薄膜，包括Si衬底、AlN成核层、AlxGa1J步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜，所述AlN成核层、AlxGa1^xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜依次生长在Si衬底上，其中，x为0_1。优选的，所述Si衬底以(111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为:GaN(0001)晶面平行于Si (111)晶面，所述AlN成核层生长在Si(Ill)晶面上。优选的，所述AlxGahN步进缓冲层包括Ala75Gaa25N缓冲层、Ala5Gaa5N缓冲层和Ala25Gaa75N缓冲层，所述Ala75Gaa25N缓冲层、Ala5Gaa5N缓冲层和Ala25Gaa75N缓冲层从下到上依次生长在AlN成核层与AlN插入层之间。优选的，所述AlN成核层厚度为20~30nm，所述Ala75Gaa25N缓冲层的厚度为90~120nm，所述Ala5Gaa5M^冲层的厚度为120~150nm，所述Ala25Gaa75N缓冲层的厚度为200~300nm,所述的AlN插入层厚度为20~30nm,所述的GaN成核层厚度为200nm,所述的GaN薄膜厚度为I~1.5 μ m。一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括步骤:(I)选择Si衬底，以Si (111)晶面为外延面，晶体外延取向关系为=GaN(OOOl)晶面平行于Si (111)晶面；(2) Si衬底表面处理:对Si衬底表面进行清洗以及退火处理；(3)在Si衬底(111)晶面依次进行AlN成核层、AlxGa^xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜的外延生长，获得所述生长在Si衬底上的GaN薄膜，其中，x为0_1。优选的，所述步骤(2)中清洗工艺是将Si衬底用高浓度的HF溶液进行超声震荡清洗，然后用离子水对Si衬底润洗15~30次，最后用氮气枪将其吹净；所述HF溶液体积比为HF = H2O= 1:1 ;所述退火处理是将Si衬底放入反应室内在1050~IKKTCH2环境下高温热退火。优选的，所述AlxGahN步进缓冲层包括Ala75Gaa25N缓冲层、Ala5Gaa5N缓冲层和Ala25Gaa75N缓冲层，所述Ala75Gaa25N缓冲层、Ala5Gaa5N缓冲层和Ala25Gaa75N缓冲层从下到上依次生长在AlN成核层与AlN插入层之间。优选的，所述AlN成核层的外延生长采用金属有机化学气相沉积工艺，其工艺条件为=Si衬底温度为860~1060°C，反应室压力为50~lOOtorr，TMAl流量为200~250sccm, NH3流量为5~30slm，生长速率为2~5nm/min，在Si衬底(111)晶面生长AlN成核层；所述AlxGahN步进缓冲层的外延生长采用金属有机化学气相沉积工艺，其工艺条件为:保持Si衬底温度为960-1060°C，反应室压力为50~lOOTorr，NH3流量为lOslm，TMAl流量为250sccm不变；首先，TMGa流量为5~8sccm，生长速率为2.5~5nm/min，在AlN成核层上生长Ala75Gaa25N缓冲层；其次，改变TMGa流量为20~26sCCm，生长速率为4~6nm/min，在Ala75Ga25N缓冲层上生长Ala5Gaa5N缓冲层；最后改变TMGa流量为65~70sCCm，生长速率为8~10nm/min，在Ala5Gaa5N缓冲层本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种生长在Si衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括Si衬底、AlN成核层、AlxGa1‑xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜，所述AlN成核层、AlxGa1‑xN步进缓冲层、AlN插入层、GaN成核层和GaN薄膜依次生长在Si衬底上，其中，x为0‑1。
【技术特征摘要】
【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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