技术摘要：
本发明公开了生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用，包括依次生长在Si衬底上的AlN缓冲层、第一GaN缓冲层、第二GaN缓冲层和GaN薄膜；第一GaN缓冲层的上部形成有阵列排布的第一沟槽；第二GaN缓冲层的下部沉积在第一沟槽内，第二GaN缓冲层的上部形成有阵列排布的第  全部
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。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，是制造高效的半导体器件，如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。 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，同时降低 LED芯片的价格。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。目前大多数GaN基LED都是基于蓝宝石和 SiC衬底上进行外延生长，大尺寸的蓝宝石和SiC衬底价格昂贵，导致LED制造成本高。因此 迫切寻找一种价格低廉的衬底材料应用于外延生长GaN薄膜。另外，现有的外延片普遍存在 缺陷密度高，结晶质量较差的不足。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种生长在Si衬底上的 GaN薄膜，缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。 本发明的目的之二在于提供一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法，通过多 次刻蚀，增加GaN的横向外延，有效抑制位错往上延伸，具有生长高晶体质量薄膜的优点。 本发明目的之三在于将所述生长在Si衬底上的GaN薄膜应用于制备蓝光LED灯、紫 光LED灯、GaN基光电探测器以及太阳能电池中。 本发明的目的之一采用如下技术方案实现： 生长在Si衬底上的GaN薄膜，包括生长在Si衬底上的AlN缓冲层，生长在所述AlN缓 冲层上的第一GaN缓冲层，生长在所述第一GaN缓冲层上的第二GaN缓冲层，生长在所述第二 GaN缓冲层上的GaN薄膜； 所述第一GaN缓冲层的上部形成有阵列排布的第一沟槽； 4 CN 111599905 A 说　明　书 2/7 页 所述第二GaN缓冲层的下部沉积在所述第一沟槽内，所述第二GaN缓冲层的上部形 成有阵列排布的第二沟槽；所述第一沟槽和所述第二沟槽在垂直方向上不重叠； 所述GaN薄膜的下部沉积在所述第二沟槽内。 优选地，所述第一沟槽为顶部宽度大于底部宽度的第一梯形条纹沟槽，所述第一 梯形条纹沟槽的深度为50～80nm，顶部宽度为100～200nm，底部宽度为50～100nm，间隔为 100～200nm；所述第二沟槽为顶部宽度大于底部宽度的第二梯形条纹沟槽，所述第二梯形 条纹沟槽的深度为100～150nm，顶部宽度为100～200nm，底部宽度为50～100nm，间隔为100 ～200nm。 优选地，所述Si衬底为Si(111)晶向衬底；所述AlN缓冲层厚度为5～50nm；所述第 一GaN缓冲层的厚度为100～300nm；所述第二GaN缓冲层的厚度为300～500nm；所述GaN薄膜 的厚度为500～800nm。 本发明的目的之二采用如下技术方案实现： 一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤： 衬底选取步骤：选取Si衬底； AlN缓冲层生长步骤：在所述Si衬底上生长AlN缓冲层； 第一GaN缓冲层外延生长步骤：在所述AlN缓冲层上外延生长第一GaN缓冲层； 第二GaN缓冲层外延生长步骤：对所述第一GaN缓冲层进行刻蚀，在所述第一GaN缓 冲层的上部刻蚀出阵列排布的第一沟槽；接着，在所述第一GaN缓冲层上生长第二GaN缓冲 层，所述第二GaN缓冲层的下部沉积在所述第一沟槽内； GaN薄膜外延生长步骤：对所述第二GaN缓冲层进行刻蚀，在所述第二GaN缓冲层的 上部刻蚀出阵列排布的第二沟槽，所述第一沟槽和所述第二沟槽在垂直方向上不重叠；接 着，在所述第二GaN缓冲层上生长GaN薄膜，所述GaN薄膜的下部沉积在所述第二沟槽内。 优选地，在所述衬底选取步骤中，所述Si衬底为Si(111)晶向衬底。 优选地，在所述AlN缓冲层生长步骤中，采用磁控溅射法在所述Si衬底上生长AlN 缓冲层，生长温度为400～500℃，AlN缓冲层厚度为5～50nm。 优选地，在所述第一GaN缓冲层外延生长步骤中，采用分子束外延生长法在所述 AlN缓冲层上外延生长所述第一GaN缓冲层，所述Si衬底的温度为500～600℃，反应室的压 力为4.0～5.0×10-5Pa，束流比V/III值为30～40，生长速度为0.6～0.8ML/s。 优选地，在所述第二GaN缓冲层外延生长步骤中，采用ICP对所述第一GaN缓冲层进 行刻蚀，刻蚀出顶部宽度大于底部宽度的第一梯形条纹沟槽，所述第一梯形条纹沟槽的深 度为50～80nm，顶部宽度为100～200nm，底部宽度为50～100nm，间隔为100～200nm；接着， 采用金属有机化学气相沉积法在所述第一GaN缓冲层上生长第二GaN缓冲层，工艺条件为： 反应室压力为50～300torr，所述Si衬底温度为1000～1060℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000， 生长速率为2～4μm/h。 优选地，在所述GaN薄膜外延生长步骤中，采用ICP对所述第二GaN缓冲层进行刻 蚀，刻蚀出顶部宽度大于底部宽度的第二梯形条纹沟槽，所述第二梯形条纹沟槽的深度为 100～150nm，顶部宽度为100～200nm，底部宽度为50～100nm，间隔为100～200nm，第二梯形 条纹沟槽与所述第一梯形条纹沟槽在垂直方向上不重叠；接着，采用金属有机化学气相沉 积法在所述第二GaN缓冲层上生长GaN薄膜，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，所述 5 CN 111599905 A 说　明　书 3/7 页 Si衬底温度为1000～1060℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。 相比现有技术，本发明的有益效果在于： (1)本发明所提供的生长在Si衬底上的GaN薄膜，通过在缓冲层上设计沟槽图案， 在外延生长过程中，首先在沟槽的侧壁形核、生长，随着外延生长的进行，横向生长逐渐明 显，位错线横向延伸并合并，随着外延生长的进一步进行，失配位错没有进一步向上延伸。 这种人为增加横向过生长的生长模式，降低位错向上延伸，能够进一步降低外延层的缺陷 密度，获得高晶体质量的薄膜。 (2)本发明所提供的生长在Si衬底上的GaN薄膜，能有效的减少位错的形成，制备 出高质量GaN薄膜，有利提高了载流子的辐射复合效率，降低非辐射复合效率，可大幅度提 高氮化物半导体器件如半导体激光器、光电探测器、发光二极管及太阳能电池的性能。 附图说明 图1为本发明实施例1制备的GaN薄膜截面结构的第一示意图； 图2为本发明实施例1制备的GaN薄膜截面结构的第二示意图； 图3为本发明实施例1制备的GaN薄膜(0002)的XRD图谱； 图4为本发明实施例1制备的GaN薄膜(10-12)的XRD图谱。 图中：10、Si衬底；11、AlN缓冲层；12、第一GaN缓冲层；13、第二GaN缓冲层；14、GaN 薄膜。