[发明专利]生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜及其制备方法、应用

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种GaN单晶薄膜，具体涉及一种生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜及其制备方法、应用。

 

背景技术

发光二极管（即LED）作为一种新型固体照明光源和绿色光源，由于具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出的特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域广泛应用。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，这些因素大大限制了LED向高效节能环保的方向发展。

ⅢA族氮化物AlN（即是氮化铝）在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年来受到广泛关注。AlN是直接带隙材料，其声波传输速度快、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，是制造高效的薄膜体声波谐振器、LED器件等电器件的理想材料。目前，氮化物LED的发光效率现在已经达到28%并且还在进一步增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯（其发光效率约为2%）或荧光灯（其发光效率约为10%）等照明器件的发光效率。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量，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，氮化物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，还需要进一步提高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（其发光效率约为150lm/w），单位流明/瓦的价格偏高。目前，LED芯片的发光效率还不够高的一个主要原因是其应用的GaN单晶薄膜是采用蓝宝石为衬底。由于蓝宝石与氮化物的晶格失配高达17%，导致外延氮化物薄膜形成过程中有很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，进而影响了氮化物LED器件的性能。其次，由于室温下蓝宝石热膨胀系数（6.63×10^-6/K）较氮化物的热膨胀系数（5.6×10^-6/K）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0.25W/cmK），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，最终影响器件的必性能。此外，由于蓝宝石是绝缘体，不能制作垂直结构半导体器件，因此，电流在器件中存在横向流动，导致电流分布不均匀，产生较多热量，很大程度上影响了氮化物LED器件的电学和光学性质。

因此，行业迫切寻找一种热导率高可以快速地将LED节区的热量传递出来的材料，作为衬底。

 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜；

本发明的目的之二在于提供一种生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜的制备方法；

本发明的目的之三在于提供上述生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生长在金属Ag衬底上的GaN单晶薄膜，其采用以下方法制得：采用金属Ag为衬底，选择Ag衬底的（111）晶面偏向（100）方向0.5－1°的晶体取向，在金属单晶Ag(111)衬底上生长出外延AlN单晶薄膜，接着再生长出外延GaN单晶薄膜。