生长在玻璃衬底上的GaN薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，包括生长在玻璃衬底上的铝金属层，生长在铝金属层上的银金属层，生长在银金属层上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。本发明专利技术还公开了上述生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法。本发明专利技术具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的GaN薄膜缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。

GaN film grown on glass substrate and preparation method thereof

The invention discloses a GaN thin film grown on glass substrates, including aluminum metal layer on the glass substrates, silver metal layer growth in aluminum metal layer, AlN buffer layer growth in silver metal layer, GaN buffer layer grown on a AlN buffer layer and GaN thin film grown on GaN buffer layer the. The invention also discloses a method for preparing the GaN film grown on the glass substrate. The invention has the advantages of simple growth process and low preparation cost, and the prepared GaN thin film has the advantages of low defect density, good crystalline quality and good electrical and optical properties.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及GaN薄膜，特别涉及生长在玻璃衬底上的GaN薄膜及其制备方法。
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。当前，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。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。III族氮化物GaN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。LED要真正实现大规模广泛应用，需要进一步提高LED芯片的发光效率，同时降低LED芯片的价格。虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但是商业化LED发光效率还是低于钠灯(150lm/W)，单位流明/瓦的价格偏高。目前大多数GaN基LED都是基于蓝宝石和SiC衬底上进行外延生长，大尺寸的蓝宝石和SiC衬底价格昂贵，导致LED制造成本高。因此迫切寻找一种价格低廉的衬底材料应用于外延生长GaN薄膜。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。本专利技术的另一目的在于提供一种上述生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法，具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，包括生长在玻璃衬底上的铝金属层，生长在铝金属层上的银金属层，生长在银金属层上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。所述铝金属层的厚度为150～200μm。所述银金属层厚度为100～300nm。所述AlN缓冲层厚度为5～50nm。所述GaN缓冲层的厚度为50～80nm。所述GaN薄膜的度为200～300nm。所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)对玻璃衬底表面进行抛光、清洗；(2)铝金属层的生长：在分子束外延系统中，在衬底温度为400～600℃条件下，沉积厚度为150～200μm的铝金属层；(3)银金属层的生长：在分子束外延系统中，采用分子束外延系统中的电子束蒸发功能，在衬底温度为400～600℃条件下，在得到的铝金属层上沉积银金属层；(4)AlN缓冲层的生长：衬底温度为450～550℃，在反应室的压力为4.0～7.2×10-5Pa、生长速度为0.2～0.8ML/s的条件下，在银金属层上沉积金属铝薄膜，然后采用氮等离体子源对该金属铝薄膜进行氮化，等离体子源的功率为300～450W，氮气流量为1～5sccm，氮化时间为10～50分钟，获得AlN薄膜；(5)GaN缓冲层外延生长：衬底温度为450～550℃，在反应室的压力为6.0～7.2×10-5Pa、束流比V/III值为50～60、生长速度为0.4～0.6ML/s的条件下，在AlN缓冲层上生长GaN缓冲层；(6)GaN薄膜的外延生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为500～600℃，在反应室的压力为4.0～5.0×10-5Pa、束流比V/III值为30～40、生长速度为0.6～0.8ML/s条件下，在GaN缓冲层上生长GaN薄膜。步骤(1)所述抛光，具体为：首先将玻璃衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。步骤(1)所述清洗，具体为：将玻璃衬底放入去离子水中室温下超声清洗3～5分钟，去除玻璃衬底表面粘污颗粒，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术能有效的减少位错的形成，制备出高质量GaN薄膜，有利提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物半导体器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的性能。(2)本专利技术的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，在进行玻璃衬底去除之后，铝金属层具有作为支撑层、导电、导热的功能；银金属层具有光线发射的功能。在预先沉积铝金属、银金属层上进行GaN薄膜的生长，为制备低成本、高导热、高导电、高发光性能光电器件奠定了基础。(3)本专利技术使用玻璃作为衬底，玻璃衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。(4)本专利技术的银金属可作为反射镜，如果采用该GaN制备发光器件，可大幅度提高发光效率；如果采用该GaN制备太阳电池，可提高光吸收率，提高太阳电池的光电转换效率。(5)本专利技术采用的分子束外延生长工艺，制备出了高质量GaN薄膜厚度为200～300nm；当GaN厚度达到200～300nm，GaN处于完全弛豫状态，有利于后期高质量的n型掺杂GaN薄膜的外延生长。(6)本专利技术采用在银金属层上沉积一层金属铝薄膜，然后进行氮化处理，形成AlN层，有利于后续GaN的生长，克服了无法在非晶态的玻璃衬底上直接生长高质量GaN单晶薄膜的技术难题；采用了低温(450～550℃)外延技术在AlN缓冲层上先外延生长一层GaN缓冲层，通过生长GaN缓冲层可以获得岛状GaN，为下一步沉积高质量低缺陷的GaN薄膜做铺垫，提高器件的发光效率，有望制备出高效LED的器件。(7)本专利技术的生长工艺独特而简单易行，具有可重复性。(8)本专利技术可通过掺入不同的组分调制出耐高温的玻璃衬底。附图说明图1是实施例1制备的GaN的截面示意图。图2是实施例1制备的GaN薄膜(0002)的XRD图谱。图3是实施例1制备的GaN薄膜(10-12)的XRD图谱。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图1所示，本实施例的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，包括生长在玻璃衬底10上的铝金属层11，生长在铝金属层上的银金属层12，生长在银金属层12上的AlN缓冲层13，生长在AlN缓冲层13上的GaN缓冲层14，生长在GaN缓冲层14上的GaN薄膜15。本实施例的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底的选取：采用普通玻璃衬底；(2)衬底表面抛光、清洗处理；所述衬底表面抛光，具体为：首先将玻璃衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理；所述清洗，具体为：将玻璃衬底放入去离子水中室温下超声清洗3分钟，去除玻璃衬底表面粘污颗粒，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干；(3)铝金属层的生长：在分子束外延系统中，在衬底温度为400℃条件下，沉积厚度为150μm的铝层；(4)银金属层的生长：在分子束外延系统中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括生长在玻璃衬底上的铝金属层，生长在铝金属层上的银金属层，生长在银金属层上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。

【技术特征摘要】
1.生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，其特征在于，包括生长在玻璃衬底上的铝金属层，生长在铝金属层上的银金属层，生长在银金属层上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的GaN薄膜。2.根据权利要求1所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述铝金属层的厚度为150～200μm。3.根据权利要求1所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述银金属层厚度为100～300nm。4.根据权利要求1所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述AlN缓冲层厚度为5～50nm。5.根据权利要求1所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为50～80nm。6.根据权利要求1所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜，其特征在于，所述GaN薄膜的度为200～300nm。7.权利要求1～6任一项所述的生长在玻璃衬底上的GaN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对玻璃衬底表面进行抛光、清洗；(2)铝金属层的生长：在分子束外延系统中，在衬底温度为400～600℃条件下，沉积厚度为150～200μm的铝金属层；(3)银金属层的生长：在分子束外延系统中，采用分子束外延系统中的电子束蒸发功能，在衬底温度为400～600℃条件下，在得到的铝金属层上沉积银金属层；(4)AlN缓冲层的生长：衬底温度为450～550...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，高芳亮，张曙光，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44