[实用新型]生长在Cu衬底的GaN薄膜

说明书

技术领域

本实用新型涉及GaN薄膜，特别是涉及一种生长在Cu衬底的GaN薄膜。

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。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种生长 在Cu衬底的GaN薄膜，本实用新型通过对Cu衬底外延面的选择及AlN缓冲层缓的设置，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，本实用新型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。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型使用Cu作为衬底，Cu衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本；

2、本实用新型制备得到的GaN薄膜，半峰宽数值小，位错密度低；AlN缓冲层的加入，能够为后期生长高质量GaN薄膜铺垫，制备得到的GaN基光电材料器件的载流子辐射复合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的发光效率；

3、本实用新型的生长工艺独特而简单易行，便于大规模生产。

附图说明

图1为本实用新型中生长在Cu衬底的GaN薄膜的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1制备的生长在Cu衬底的GaN薄膜(GaN(0002))的高分辨X射线衍射(HRXRD)图谱；

图3为本实用新型实施例1制备的生长在Cu衬底的GaN薄膜 (GaN(10-12))的高分辨X射线衍射(HRXRD)图谱；