[发明专利]一种自支撑GaN基发光器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自支撑GaN基发光器件及其制备方法，属于半导体发光器件技术领域。

背景技术

以GaN为代表的宽禁带III-V族氮化物半导体材料在短波长发光器件、短波长激光器、光探测器以及高温、高频和大功率电子器件方面有着广阔的应用前景而备受关注，发展十分迅速。典型的GaN基发光器件是由衬底、GaN缓冲层、n型GaN层、GaN基发光层、p型GaN层构成。其中GaN缓冲层、n型GaN层、GaN基发光层、p型GaN层又统称为GaN基器件薄膜材料。由于缺乏GaN体单晶衬底，目前商品化的GaN基发光器件都是生长在Al₂O₃衬底上或SiC衬底上。而Al₂O₃衬底与GaN的晶格失配很大，导致生长的GaN晶体质量不好。同时Al₂O₃衬底具有差的导热性能和导电性能，大大影响高功率GaN基发光器件工作性能。除Al₂O₃衬底外，目前用于GaN生长衬底就是SiC，在市场上的占有率位居第二。由于SiC衬底优异的导电性能和导热性能，不需要像Al₂O₃衬底上功率型GaN基发光器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好地解决功率型GaN基发光器件的散热问题，故在发展中的半导体照明技术领域占重要地位。但不足的是，SiC衬底价格昂贵，机械加工性能比较差，这都使器件的生产成本大大上升。在以SiC为衬底生产GaN基发光器件的过程中，由于SiC本身与GaN之间的晶格失配相对较大，化学性质相差太大，导致两者之间不浸润，无法直接生长，目前的解决方法就是在SiC与GaN之间先生长一层缓冲层，再在缓冲层上生长GaN，其中最普遍的是生长AlN作为缓冲层。

ZnO与GaN具有很多相似之处，都是纤锌矿结构，两者的晶格失配和热失配很小，因此在ZnO上生长GaN，可以获得高质量的GaN外延材料。同时ZnO可以用酸液完全腐蚀掉，将器件薄膜材料与衬底分离，获得自支撑的GaN基器件薄膜，从而实现SiC衬底重复使用，大大降低器件成本。但存在一个问题，超过1000℃时，ZnO材料会分解，而目前一般通用的MOCVD方法生长GaN薄膜，生长温度都超过1000℃；另外，都是在NH₃、H₂气氛下生长，ZnO材料易被腐蚀。因此，在ZnO上直接以通用的MOCVD方法生长GaN是不可能获得好的GaN基发光器件的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种质量好、工艺简单的自支撑GaN基发光器件及其制备方法。

本发明的自支撑GaN基发光器件，自下而上依次有GaN保护层、GaN缓冲层、n型GaN层、GaN基发光层和p型GaN层。

自支撑GaN基发光器件的制备方法：先采用分子束外延技术在SiC衬底上依次生长ZnO层和GaN保护层；然后采用金属有机物化学气相沉积技术在GaN保护层上依次生长GaN缓冲层、n型GaN层、GaN基发光层和p型GaN层；再用酸液腐蚀去掉ZnO层，将SiC衬底和GaN基器件薄膜分离。具体包括以下步骤：

1)将经清洗处理的SiC衬底放入分子束外延设备，在400～700℃温度，调节生长室压力为1×10^-5Torr～6×10^-5Torr，先以纯O₂为O源，金属Zn源为反应源，生长厚度为0.5～5微米的ZnO层，然后以纯N₂为N源，金属Ga源为反应源，在ZnO层上生长厚度为0.5～5微米的GaN保护层。

2)将生长有ZnO层和GaN保护层的SiC片放入金属有机物化学气相沉积装置，以纯NH₃为N源，纯H₂或N₂为载气，在1000～1200℃温度下依次以三甲基镓或三乙基镓为Ga源，生长GaN缓冲层和n型GaN层；以三甲基镓或三乙基镓为Ga源、以三甲基铟为In源，生长GaN/GaInN多层作为GaN基发光层，或者以三甲基镓或三乙基镓为Ga源、以三甲基铝为Al源，生长GaN/GaAlN多层作为GaN基发光层；以三甲基镓或三乙基镓为Ga源、以二茂镁为Mg源生长p型GaN层。

3)采用酸液腐蚀去掉ZnO层，将SiC衬底剥离，获得自支撑的GaN基器件。

所用的酸液为PH≥4的硝酸、磷酸或者氢氟酸。剥离的SiC衬底可以回收利用。

本发明的有益效果在于：