CN107170666A - 一种非极性ⅲ族氮化物外延薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，该外延薄膜包括从下至上的衬底、第一层图形结构、第二层图形结构和在衬底上、并透过双重图形结构生长的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜。其中第一层图形结构为具有一定表面覆盖率的插入层或掩模结构；第二层图形结构为在第一层图形结构上制备的具有一定排列方向性和周期性的网状结构。在此结构上进行非极性氮化物的外延生长，将会触发平行于衬底表面的侧向外延生长，形成岛状氮化物结构；而当岛状氮化物合并时，沿某些方向的生长将会受到抑制，而沿某个特定方向的生长将会获得促进，因此可解决非极性Ⅲ族氮化物生长各向异性突出的难题，获得高质量的外延薄膜。

Description

一种非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料和器件制造领域，尤其是一种非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜。
背景技术
AlN、GaN、InN及其三元四元化合物等III族氮化物均为直接带隙化合物半导体材料，它们具有宽禁带、高击穿电场和热导率、高电子迁移速率及耐化学腐蚀等特点，其室温带隙宽度从InN的0.7eV到GaN的3.4eV，直至AlN的6.2eV，以其制备的光电器件发光波长覆盖了从远红外到深紫外的波长范围。
目前，Ⅲ族氮化物单晶及其合金主要是在C面蓝宝石等衬底上外延生长获得的极性材料。极性Ⅲ族氮化物材料应力分布均匀，生长模式可控，容易获得缺陷较少的高质量外延材料和器件。但是，由于极性材料中量子限制斯塔克效应的存在，异质结附近的能带会发生弯曲，导致电子和空穴的波函数在空间上发生分离，使得电子和空穴的复合效率下降，严重影响极性发光二极管(LED)的发光效率，同时还会导致发光波长的红移。
虽然非极性材料在其生长方向上不存在极化电场，可完全消除斯塔克效应的影响，提高LED的内量子效率。但在生长过程中，由于非极性外延薄膜沿不同方向的生长速度存在显著的各向异性，因此会直接导致外延薄膜表面分布大量的、具有特定方向性的三角形深坑，且难以在随后的生长过程中合并。另外，生长速度的各向异性还会导致外延材料沿不同方向的晶体质量差异较大，使得外延层晶体质量恶化，严重影响器件性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种非极性Ⅲ族氮化物外延生长结构，能够获得高质量的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜。
为解决上述技术问题，本发明提供一种非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，由下至上依次包括衬底101，具有一定表面覆盖率的插入层或掩模构成的第一层图形结构102，在第一层图形结构102上制备的具有一定排列方向性和周期性的网状四边形的第二层图形结构103和在衬底101上、并透过第一层图形结构102和第二层图形结构103沿特定方向侧向外延生长的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜104。
优选的，所述的衬底101为可外延生长非极性Ⅲ族氮化物材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌等常用衬底材料或者非极性氮化镓、氮化铝等III族氮化物材料，厚度不限。
优选的，所述的第一层图形结构102为由表面覆盖率为x的SiO2等常用半导体工艺掩模材料制备的周期性图形，或者由MgNx、SiNx等可触发平行于衬底表面的侧向外延生长的介质材料制备的随机分布图形，其厚度为0.01～5μm，未覆盖区域需露出下面的衬底101，露出区域亦将全部或者大部不被第二层图形结构103所覆盖，以保证在衬底上侧向外延的顺利进行，其中x满足0<x<1。
优选的，所述的第二层图形结构103为SiO2、MgNx、SiNx等常用的半导体工艺掩模材料制备的、呈周期性排列的网状四边形结构，其厚度为0.01～5μm，其锐角顶角分别指向非极性III族氮化物侧向外延生长速度最快的方向1和与之方向相反的、侧向外延生长速度最慢的方向3，而钝角顶角指向外延速度较快的方向2，顶角θ的大小可依据所生长的非极性Ⅲ族氮化物的种类进行调节。
优选的，所述的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜104，可以是非极性AlN、GaN、InN单晶及其三元四元化合物，其组分和厚度不限。
本发明的有益效果为：采用本发明提供的双重图形结构生长非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，可以触发非极性III族氮化物的侧向外延生长，在衬底上形成岛状氮化物结构。当岛状氮化物在后续的外延生长过程中合并时，可使其沿通常侧向外延生长速度较快的方向1和2的生长受到抑制，而使其沿通常侧向外延生长速度较慢的方向3的生长得到促进，因此从结构上解决了非极性Ⅲ族氮化物生长速度各向异性的难题，容易获得较为平坦的外延薄膜表面。同时，由于沿各个方向的侧向外延生长速度达到较为平衡的状态，因此有助于减弱底部堆垛层错和其他缺陷位错对晶体质量的影响，最终获得高质量的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜。
附图说明
图1为本发明的具有双重图形结构的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜的断面结构示意图。
图2为本发明的具有双重图形结构的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜的结构俯视图。
图3为现有技术制备的仅具有单层图形化衬底的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜的断面结构示意图。
其中，101、衬底；102、第一层图形结构；103、第二次图形结构；104、非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜；301、图形化衬底；302、非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜。
具体实施方式
如图1所示，为本发明提供的具有双重图形结构的非极性AlGaN外延薄膜，其特征在于：包括由下至上依次设置的非极性氮化铝衬底101，在氮化铝衬底101上制备的表面覆盖率为30％的SiNx掩模102，在SiNx掩模102上制备的具有一定排列方向性和周期性的网状四边形SiO2掩模103和在氮化铝衬底101上、并透过102和103沿特定方向经侧向外延生长和岛状物合并过程生长获得的非极性AlGaN外延薄膜104。
如图2所示，为本发明提供的双重图形结构的俯视图，上表层为具有一定排列方向性和周期性的网状四边形SiO2掩模103，网状四边形SiO2掩模103下的第二层为表面覆盖率为30％的SiNx掩模102，未被102和103所覆盖的区域为露出的非极性氮化铝衬底101，并被限制出现在第二层四边形图形结构103的内部。
非极性氮化铝衬底101为非极性a面AlN，厚度为400μm。
表面覆盖率为30％的SiNx掩模102，其刻蚀露出下层非极性氮化铝衬底101部分的图形为等腰三角形，三角形底边边长为1μm，顶角角度在10°到70°范围内根据AlGaN外延薄膜中的Al组分调制，该等腰三角形图形位于上层四边形SiO2掩模103内，但并未被103所覆盖，其周期长度为3μm，厚度为0.3μm。
具有一定排列方向性和周期性的网状四边形SiO2掩模103，四边形的锐角角度与所述等腰三角形顶角保持一致。图2中的方向1指向极性面[0001]方向，方向2指向非极性面方向，方向3指向极性面方向，四边形掩模边界宽度为0.5μm，周期长度也是3μm，但厚度为0.2μm。
具有一定排列方向性和周期性的网状四边形图形结构103，其锐角顶角分别指向所生长的非极性III族氮化物侧向外延生长速度最快的方向1和与其正相反的方向3，而钝角顶角则指向侧向外延速度较快的方向2，其垂直于方向1并指向两侧。锐角θ的大小根据生长的非极性III族氮化物的种类可调，即其中，v1为沿方向1的侧向外延生长速度，v2为沿方向2的侧向外延生长速度。网状四边形图形结构103下的第二层为具有一定表面覆盖率的插入层或掩模结构102，未被102和103所覆盖的区域为露出的衬底101，并被限制出现在第二层四边形图形结构103的内部。
上述双重图形结构制备完成之后，可采用金属有机物化学气相外延(MOCVD)或者分子束外延(MBE)设备，在氮化铝衬底101上，透过102和103沿方向3经侧向外延生长和岛状物合并过程生长获得Al组分为y(0<y<1)的、表面平坦且晶体质量较高的非极性AlyGa1-yN薄膜104。在此基础上可继续生长n型和p型非极性III族氮化物及其相关的量子阱、超晶格等微型结构，为最终制备出高质量的非极性氮化物半导体光电子器件打下坚实的基础。
需着重说明的是，本实施例所提供的具有双重图形结构的非极性AlGaN外延薄膜及其生长方法，其核心部分包括表面覆盖率为30％的SiNx掩模结构102和在102上制备的具有一定排列方向性和周期性的网状四边形SiO2掩模103。此部分是解决非极性AlGaN外延生长各向异性突出问题的关键。其主要作用在于触发非极性AlGaN在特定区域内的侧向外延，并抑制其沿通常生长速度较快方向的生长，促进其沿通常生长速度较慢方向的生长，以此改善侧向外延生长形成的岛状物合并过程的不平衡性，即克服外延生长的各向异性，可显著提高非极性AlGaN外延薄膜的表面平整度和晶体质量。
采用该种新型结构能够触发非极性III族氮化物沿特定方向的侧向外延生长，形成岛状氮化物结构，有利于大幅度提高外延薄膜的晶体质量；不仅如此，采用本发明提供的新型结构可以有效抑制非极性III族氮化物外延薄膜在某些方向的生长，而使其仅能沿某个特定的方向生长，从而在结构上解决非极性Ⅲ族氮化物生长各向异性突出的难题，有助于促进非极性III族氮化物侧向外延生成的岛状物在后续生长中的良好合并，同时有利于获得平整的外延层表面，最终制备出高质量的非极性Ⅲ族氮化物外延材料和器件。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (5)

1.一种非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，其特征在于，由下至上依次包括衬底(101)，具有一定表面覆盖率的插入层或掩模构成的第一层图形结构(102)，在第一层图形结构(102)上制备的具有一定排列方向性和周期性的网状四边形的第二层图形结构(103)和在衬底(101)上、并透过第一层图形结构(102)和第二层图形结构(103)沿特定方向侧向外延生长的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜(104)。
2.如权利要求1所述的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，其特征在于，所述的衬底(101)为可外延生长非极性Ⅲ族氮化物材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌等常用衬底材料或者非极性氮化镓、氮化铝等III族氮化物材料，厚度不限。
3.如权利要求1所述的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，其特征在于，所述的第一层图形结构(102)为由表面覆盖率为x的SiO2等常用半导体工艺掩模材料制备的周期性图形，或者由MgNx、SiNx等可触发平行于衬底表面的侧向外延生长的介质材料制备的随机分布图形，其厚度为0.01～5μm，未覆盖区域需露出下面的衬底(101)，露出区域亦将全部或者大部不被第二层图形结构(103)所覆盖，以保证在衬底上侧向外延的顺利进行，其中x满足0<x<1。
4.如权利要求1所述的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，其特征在于，所述的第二层图形结构(103)为SiO2、MgNx、SiNx等常用的半导体工艺掩模材料制备的、呈周期性排列的网状四边形结构，其厚度为0.01～5μm，其锐角顶角分别指向非极性III族氮化物侧向外延生长速度最快的方向1和与之方向相反的、侧向外延生长速度最慢的方向3，而钝角顶角指向外延速度较快的方向2，顶角θ的大小可依据所生长的非极性Ⅲ族氮化物的种类进行调节。
5.如权利要求1所述的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜，其特征在于，所述的非极性Ⅲ族氮化物外延薄膜(104)，可以是非极性AlN、GaN、InN单晶及其三元四元化合物，其组分和厚度不限。
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