[发明专利]生长在Cu衬底的GaN薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及GaN薄膜，特别是涉及一种生长在Cu衬底的GaN薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

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，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。

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。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。

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。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，LED芯片的发光效率不够高，一个主要原因是由于其蓝宝石衬底造成的。由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达17％，导致外延GaN薄膜过程中形成很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，进而影响了GaN基器件的性能。其次，由于室温下蓝宝石热膨胀系数(6.63×10^-6K^-1)较GaN的热膨胀系数(5.6×10^-6K^-1)大，两者间的热失配度约为-18.4％，当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。再次，由于蓝宝石的热导率低(100℃时为25W/m.K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。因此迫切需要寻找一种晶格匹配和热膨胀系数匹配的衬底材料应用于外延生长GaN薄膜。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生长在Cu衬底的GaN薄膜及其制备方法和应用，本发明以金属Cu为衬底生长GaN薄膜，采用的脉冲激光沉积技术生长GaN薄膜，由于脉冲激光照射能为薄膜前驱体提供了较高的动能，可以很大程度地降低GaN薄膜的生长温度；另外由于低温下，外延层与衬底之间的界面反应受到抑制，为在金属Cu衬底上外延生长GaN薄膜提供了重要的保证，从而获得晶体质量好的生长在Cu衬底的GaN薄膜。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

生长在Cu衬底的GaN薄膜，包括Cu衬底、AlN缓冲层和GaN薄膜，所述AlN缓冲层生长在Cu衬底上，所述GaN薄膜生长在AlN缓冲层上；所述Cu衬底以(111)面偏(100)方向0.5-1°为外延面。

优选的，所述AlN缓冲层的厚度为30-50nm，所述GaN薄膜的厚度为100-300nm。

生长在Cu衬底的GaN薄膜的制备方法，包括：

1)衬底以及其晶向的选取：采用Cu衬底，以(111)面偏(100)方向0.5-1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Cu的(111)面；

2)衬底表面处理：对Cu衬底表面进行抛光、清洗以及退火处理；

3)在步骤2)处理后的Cu衬底上依次进行AlN缓冲层、GaN薄膜的外延生长，即得所述生长在Cu衬底的GaN薄膜。

优选的，所述AlN缓冲层的外延生长工艺条件为：Cu衬底温度为400-500℃，反应室压力为6.0-7.2×10^-5Pa，生长速度为0.4-0.6ML/s。