CN109545933B - 一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法，其结构包括r面图形化蓝宝石衬底、蓝宝石图形、掩膜层和AlN覆盖层，蓝宝石图形是r面图形化蓝宝石衬底的一部分，为非对称的圆锥或棱锥结构，即朝向[1101]晶向倾斜，该结构可从而有效解决非极性III族氮化物外延生长过程中沿不同方向生长速率不同而导致晶体质量难以提高的问题。同时，AlN覆盖层是蓝宝石衬底在NH3氛围下高温分解的同时与NH3直接反应生成的。本发明提供的复合衬底不仅可以有效减少III族氮化物在外延生长过程中O杂质的并入，并能在不消耗Al源的前提下，在蓝宝石衬底表面获得致密的高质量非极性AlN覆盖层，对在其上生长高质量非极性III族氮化物及相关器件具有重要意义。
Description
所属领域
本发明属于非极性氮化物半导体材料领域，具体涉及一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法。
背景技术
III族氮化物材料为继第一代半导体Si、Ge和第二代半导体GaAs、InP之后兴起的第三代半导体材料，包括GaN、InN、AlN及其三元合金InGaN、AlGaN、AlInN和四元合金AlInGaN。因III族氮化物材料的禁带宽度能够在0.7-6.2eV之间连续可调，可覆盖从红外到紫外光谱范围，且具有高击穿电压、高电子迁移率、高热导率、耐高温、耐酸碱和抗辐射等优点，所以被广泛地应用于高压、高频、高温和大功率光电子器件等领域。
目前III族氮化物的研究主要集中在(0001)c面取向的极性材料，而极性III族氮化物材料内部由于存在MV/cm量级的强大自发极化电场和由晶格不匹配引发的压电极化电场，造成III族氮化物基量子阱的能带发生弯曲，导致电子和空穴的波函数在空间上发生分离，从而使得电子与空穴的复合效率或者内量子效率严重下降，此即所谓的量子局限斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect)。而对于III族氮化物材料的
m面和
a面这两个非极性面，其生长方向不存在极化电场，可完全消除量子局限斯塔克效应的影响，因此，m面或a面取向的非极性III族氮化物材料十分有利于制备高发光效率和高亮度的发光二极管。然而，非极性III族氮化物在外延生长时面内生长速率存在很强的各向异性。如图2所示，非极性a面III族氮化物外延生长时沿[0001]方向的生长速率远较其它晶向较快，导致获得的非极性a面III族氮化物晶体质量存在强烈的各向异性，这不仅会使材料的表面形貌变得粗糙，还会使得材料中的缺陷密度比对应的极性氮化物材料高出2个数量级以上，因而严重影响基于非极性氮化物材料制备的相关光电子器件的性能。
对于外延生长高质量的III族氮化物薄膜，衬底的选择也极其重要。蓝宝石因其性质稳定、价格低廉、器件工艺成熟等特点，是目前III族氮化物材料外延生长时最常用的衬底材料。但由于III族氮化物材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，所以导致很难生长出低位错密度的高质量III族氮化物半导体材料。
有鉴于此，本发明提供一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法，以抑制非极性III族氮化物外延生长速率和晶体质量的各向异性，降低材料中的缺陷密度，提高非极性III氮化物的晶体质量，从而最终提高相关光电子器件的性能。
发明内容
为克服上述生长非极性III族氮化物所面临的难题，本发明提供一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法。采用本发明提供的复合衬底进行非极性a面III族氮化物材料的外延生长，可以从衬底结构上有效解决沿[0001]方向生长速率过快导致的材料面内外延生长存在各向异性的难题。不仅如此，可无需传统外延制备条件下金属源TMA提供Al源的前提下，由r面蓝宝石在高温下分解，使唯一成分为Al2O3的蓝宝石在分解的同时可提供Al原子，与NH3直接反应生成致密的AlN薄膜，同时还可减少外延生长时来自蓝宝石中O杂质的并入。因此，本发明提供的高质量非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，可为在其上生长表面形貌平整的非极性氮化物外延层薄膜，最终制备出高质量的非极性III族氮化物外延材料和相关器件奠定坚实的基础。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，包括r面图形化蓝宝石衬底(101)，所述r面图形化蓝宝石衬底(101)的上表面具有若干个蓝宝石图形(1011)，所述r面图形化蓝宝石衬底(101)上表面上除蓝宝石图形(1011)覆盖之外的区域设有掩膜层(102)，所述蓝宝石图形(1011)表面设有AlN覆盖层(103)；所述的r面图形化蓝宝石衬底(101)上表面的蓝宝石图形(1011)为呈非对称的圆锥结构，即该圆锥结构的中轴线朝向
方向的倾斜，或所述的r面图形化蓝宝石衬底(101)上表面的蓝宝石图形(1011)为呈非对称的棱锥结构，即该棱锥结构的朝向
方向的倾斜。
优选的，所述r面图形化蓝宝石衬底(101)是通过对r面蓝宝石衬底上表面刻蚀出蓝宝石图形(1011)后获得，所述r面图形化蓝宝石衬底(101)为可外延生长非极性III族氮化物材料的r面蓝宝石衬底。
优选的，所述r面图形化蓝宝石衬底(101)的上表面的若干个蓝宝石图形(1011)呈周期性分布排列。
优选的，所述的AlN覆盖层(103)是将r面图形化蓝宝石衬底(101)上的蓝宝石图形(1011)在NH3氛围下加热至超过1000℃后，通过调整NH3氛围下化学反应参数，使唯一成分是Al2O3的蓝宝石在分解的同时提供Al原子，与NH3直接反应，从而在未被掩膜层(102)覆盖的蓝宝石图形(1011)上生成的致密AlN薄膜。
优选的，所述的AlN覆盖层(103)的厚度为2nm-20nm。
优选的，所述的掩膜层(102)为SiO2薄膜或SiNx薄膜，可阻止后期蓝宝石加热被分解常用的掩膜材料，其覆盖在蓝宝石衬底上相邻非对称的圆锥或棱锥结构之间的空隙区域，保护被掩膜层(102)覆盖的蓝宝石衬底表面部分不参与化学反应而免于分解。
一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底的制备方法，包含以下步骤：
(1)首先，在r面蓝宝石衬底上表面刻蚀出若干个蓝宝石图形(1011)后制成r面图形化蓝宝石衬底(101)，所述蓝宝石图形(1011)呈非对称棱锥或圆锥结构，即该棱锥或圆锥结构的中轴线朝向
方向倾斜；
(2)其次，在r面图形化蓝宝石衬底(101)上棱锥或圆锥结构覆盖之外的区域上制备掩膜层(102)；
(3)在完成掩膜层的制备之后，在蓝宝石图形(1011)上制备非极性AlN覆盖层(103)，得到非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底。
优选的，在步骤(2)中，所述掩膜层为采用半导体沉积工艺技术沉积的SiO2或SiNx薄膜。
优选的，在步骤(3)中，在完成掩膜层的制备之后，将r面图形化蓝宝石衬底(101)在NH3氛围下加热至超过1000℃，使得蓝宝石图形(1011)表面发生分解，并使分解产生的Al原子，与通入的NH3进一步反应，最终在蓝宝石图形(1011)上形成致密的AlN覆盖层(103)，制得非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底。
优选的，所述的AlN覆盖层(103)的厚度为2nm-20nm。
优选的，所述的AlN覆盖层(103)的薄膜晶体质量可通过调整NH3氛围下化学反应参数进行控制。这些参数包括反应温度、通入的NH3流量及时间等。
优选的，在步骤(3)中，将r面图形化蓝宝石衬底(101)放置于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，在NH3氛围下进行加热反应，反应室压力为40Torr，NH3流量为2000sccm，蓝宝石衬底加热温度为1600℃，加热维持时间为600s。
本发明的基本原理：通过设置非对称的圆锥或棱锥型结构，使垂直于其左边(即长边)方向的生长变得较为容易，因而可促进非极性III氮化物沿
方向的外延生长，同时使垂直于其右边(即陡峭边)方向的生长变得较为困难，从而可抑制III族氮化物沿[0001]方向的外延生长，由此改善非极性III氮化物外延生长过程中沿各晶向生长速率的不平衡，亦即生长速率的各向异性。
有益效果：本发明提供的非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，可以使非极性III族氮化物在其上的外延生长过程中，沿外延生长速率较快的[0001]方向的生长速率受到抑制，同时使沿其相反方向的外延生长速率得到提高，从而可以有利于抑制非极性III族氮化物材料外延生长时面内生长速率存在的各向异性。另外，由于唯一成分是Al2O3的蓝宝石衬底在被加热分解的同时可提供Al原子，与NH3直接反应，在未被掩膜层(102)覆盖的蓝宝石图形(1011)上生成致密的AlN薄膜，所以可有效减少O原子杂质的并入，提高外延薄膜的晶体质量。因此，采用本发明提供的复合衬底可从结构上解决非极性III族氮化物材料外延生长速率各向异性的难题，并有助于减小外延材料中堆垛层错及刃型和螺旋位错密度，从而获得高晶体质量且表面形貌平整的非极性III族氮化物外延薄膜。
附图说明
图1为本发明提供的非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底结构示意图，其中：101为r面图形化蓝宝石衬底、1011为蓝宝石图形、102为掩膜层、103为AlN覆盖层。
图2为在r面蓝宝石衬底上外延生长非极性a面III族氮化物材料的示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用以具体解释本发明，而并不用于限定本发明权利要求的范畴。
实施例1
如图1所示，为本发明提供的一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底结构示意图，其结构包括r面图形化蓝宝石衬底(101)、蓝宝石图形(1011)、掩膜层(102)和AlN覆盖层(103)。其中r面蓝宝石图形(1011)实际为图形化r面蓝宝石衬底(101)的一部分。
首先选用可外延生长非极性III族氮化物材料的r面蓝宝石衬底，然后在该r面蓝宝石衬底表面刻蚀蓝宝石图形(1011)后获得的r面图形化蓝宝石衬底(101)。其中蓝宝石图形(1011)呈非对称圆锥结构，即该圆锥结构的中轴线朝向
方向倾斜，圆锥的中轴线为圆锥的顶点与底面的中心的连线，中轴线与底面的夹角为60°，从蓝宝石图形(1011)结构的侧视图上来看，图形右侧面较左侧面更加陡峭。
然后在r面图形化蓝宝石衬底(101)上棱锥或圆锥结构覆盖之外的平坦区域上制备掩膜层(102)，该掩膜层(102)是通过半导体沉积工艺技术沉积的SiO2薄膜，用以保护被其覆盖的蓝宝石衬底表面部分不参与化学反应而免于分解。
最后，将上述具有蓝宝石图形(1011)和掩膜层(102)的r面图形化蓝宝石衬底(101)进行加热直接与NH3反应形成AlN覆盖层(103)，所述的AlN覆盖层(103)的薄膜晶体质量可通过调整NH3氛围下化学反应参数进行控制。这些参数包括反应温度、通入的NH3流量及时间等。本实施例采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，在40Torr的反应室压力下，通入2000sccm的NH3，将蓝宝石衬底加热到1600℃并维持600s的条件下，使唯一成分是Al2O3的蓝宝石图形(1011)表面在分解的同时可提供Al原子，与NH3直接反应，在未被掩膜层(102)覆盖的蓝宝石图形(1011)上生成厚度为12nm的致密AlN薄膜。该过程中有效减少O原子杂质的并入，提高外延薄膜的晶体质量。
通过设置该发明提供的非对称圆锥结构，可抑制非极性III族氮化物沿[0001]方向的生长速率，同时促进其相反方向的外延生长速率，从而有效抑制非极性III族氮化物材料外延生长时面内生长速率存在的各向异性。
在上述的非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底制备完成之后，在该复合衬底上可进一步采用MOCVD或者分子束外延(MBE)等生长技术，外延生长具有高晶体质量及表面形貌平整的非极性III族氮化物薄膜，包括n型和p型非极性III族氮化物薄膜及其相关的量子阱、超晶格等结构，因而该本发明提供的复合衬底对制备高质量的非极性氮化物半导体相关光电子器件，如紫外LED具有重要意义。
实施例2
一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，采用与实施例1相同工艺制得，除了蓝宝石图形(1011)呈非对称棱锥结构，即该棱锥结构偏向
方向的侧面，棱锥的中轴线为棱锥的顶点与底面重心的连线，中轴线与底面的夹角为60°；掩膜层(102)通过半导体沉积工艺技术沉积上的SiNx薄膜。其它步骤相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所做的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (7)
1.一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，其特征在于：包括r面图形化蓝宝石衬底(101)，所述r面图形化蓝宝石衬底(101)的上表面具有若干个蓝宝石图形(1011)，所述r面图形化蓝宝石衬底(101)上表面上除蓝宝石图形(1011)覆盖之外的区域设有掩膜层(102)，所述蓝宝石图形(1011)表面设有AlN覆盖层(103)；所述的r面图形化蓝宝石衬底(101)上表面的蓝宝石图形(1011)为非对称的圆锥结构，即该圆锥结构的中轴线朝向
方向的倾斜，或所述的r面图形化蓝宝石衬底(101)上表面的蓝宝石图形(1011)为非对称的棱锥结构，即该棱锥结构的中轴线朝向
方向的倾斜。
2.根据权利要求1所述的一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，其特征在于：所述r面图形化蓝宝石衬底(101)是通过对r面蓝宝石衬底上表面刻蚀出蓝宝石图形(1011)后获得。
3.根据权利要求1所述的一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，其特征在于：所述r面图形化蓝宝石衬底(101)的上表面的若干个蓝宝石图形(1011)呈周期性分布排列。
4.根据权利要求1所述的一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，其特征在于：所述AlN覆盖层(103)是将r面图形化蓝宝石衬底(101)上的蓝宝石图形(1011)在NH3氛围下加热至超过1000℃时，蓝宝石图形(1011)的表面在分解的同时与NH3直接反应生成致密的AlN薄膜。
5.一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)首先，在r面蓝宝石衬底上表面刻蚀出若干个蓝宝石图形(1011)后制成r面图形化蓝宝石衬底(101)，所述蓝宝石图形(1011)呈非对称的棱锥或圆锥结构，即该棱锥或圆锥结构的中轴线朝向
方向倾斜；
(2)其次，在r面图形化蓝宝石衬底(101)上非对称棱锥或圆锥结构覆盖之外的区域上制备掩膜层(102)；
(3)在完成掩膜层的制备之后，在蓝宝石图形(1011)表面上制备非极性的AlN覆盖层(103)，得到非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底。
6.根据权利要求5所述的一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述掩膜层为采用半导体沉积工艺技术沉积的SiO2或SiNx薄膜。
7.根据权利要求5所述的一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，在完成掩膜层的制备之后，将r面图形化蓝宝石衬底(101)在NH3氛围下加热至超过1000℃，使得蓝宝石图形(1011)表面发生分解，并使分解产生的Al原子，与通入的NH3进一步反应，最终在蓝宝石图形(1011)上形成致密的非极性AlN覆盖层(103)，制得非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底。
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