[实用新型]在镓酸锂衬底上外延生长的非极性GaN薄膜

说明书

技术领域

本实用新型涉及在镓酸锂衬底上外延生长的非极性GaN薄膜，具体用于制造薄膜外延及薄膜器件，特别是量子阱结构太阳能电池、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电探测器。

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，在全球气候变暖和能源枯竭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。

LED芯片的发光效率不够高是限制LED发展的一个关键问题，其主要原因是由于目前广泛使用的GaN基LED都是沿极性c轴生长的。c轴方向上，Ga原子集合和N原子集合的质心不重合，从而形成电偶 极子，产生自发极化场和压电极化场，进而引起量子束缚斯塔克效应(Quantum-confined Starker Effect，QCSE)，使电子和空穴分离，载流子的辐射复合效率降低，最终影响LED的发光效率，并造成LED发光波长的不稳定。解决这一问题最好的办法是采用非极性GaN材料制作LED，以消除量子束缚斯塔克效应的影响。理论研究表明，使用非极性GaN来制造LED，将可使LED发光效率提高近一倍。

由此可见，要使LED真正实现大规模广泛应用，提高LED芯片的发光效率，并降低其制造成本，最根本的办法就是在与GaN匹配(包括晶格匹配和热膨胀系数匹配)的新型衬底上研发非极性GaN基LED外延芯片。目前，制备非极性GaN薄膜的新型衬底的代表主要有LiGaO₂、LiAlO₂等。与传统的LED衬底蓝宝石相比，新型衬底不但晶格失陪小，而且热膨胀系数差异相近。以LiGaO₂衬底为例。LiGaO₂衬底与GaN在b、c轴方向上的晶格失陪分别为0.1％和4.0％，热膨胀系数很接近(LiGaO₂衬底的热膨胀系数分别为4.0×10^-6K^-1和3.8×10^-6K^-1，GaN对应的热膨胀系数分别为5.59×10^-6K^-1和3.17×10^-6K^-1)。然而，由于Li离子的平衡蒸汽压较低，容易从衬底中溢出，特别是在较高的温度下(700℃以上)会导致衬底表面发生相变，形成富Li相。与此同时，在高温条件下，新型衬底与GaN的界面反应严重。这将严重影响GaN薄膜的生长和最终的晶体质量。传统的金属有机物气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)镀膜技术外延GaN薄膜的温度都在800℃以上，界面反应严重，难以满足在LiGaO₂、LiAlO₂等易高温相变的新型衬底上外延非极性GaN薄膜的需要。

脉冲激光沉积(PLD)克服了MOCVD、MBE的不足和存在的问题。它的主要优点有以下几个方面：(1)激光能量密度高，可以蒸镀各种难以熔化的靶材，实现薄膜的低温外延生长，有效抑制界面反应；(2)工艺参数调节方便，且沉积速率高，实验周期短；(3)发展潜力大，具有良好的兼容性；(4)薄膜成分稳定，易于获得期望的化学计量比；(5)可以同时放置多个靶材(4-6个)，有利于制备成分复杂的多层薄膜；(6)清洁处理十分方便，可以制备不同类型的薄膜。然而，任何事物都存在两面性。PLD的主要缺点就是沉积速率高，难以制备高品质的量子阱。事实上，量子阱结构LED已经成为未来LED的主要发展趋势之一。PLD的这一缺点，严重限制了它的推广和应用范围。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种在镓酸锂衬底上外延生长的非极性GaN薄膜，GaN薄膜具有缺陷密度低、结晶质量好等特点，可广泛应用于LED、LD、太阳能电池等领域。

实现本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：