CN109599462A - 基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法 - Google Patents

基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，包括：步骤A：在Si衬底的表面利用氨源或氮气氮化一层Si3N4膜，该Si3N4膜的晶体取向为(001)方向；步骤B：在所述Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；步骤C：在所述AlN buffer层上外延生长GaN膜；步骤D：在所述GaN膜的表面外延生长富In组分的氮化物薄膜。本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法能够制备出低成本的N极性面富In组分氮化物材料及相应的微电子与光电子器件。

Description

基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法。
背景技术
氮化物富In组分发光二极管(LED)由于具有能耗低、寿命长、无污染、抗恶劣环境能力强等特点，广泛应用于显示和照明等多个领域。
对于传统的富In组分GaN蓝绿LED来说，其发光的有源区基本结构是InGaN/GaN多量子阱。该结构的有源区存在诸多科学和技术问题有待解决。第一，富In组分InGaN/GaN量子阱中的压电极化电场问题。由于富In的InGaN的晶格常数大于GaN的晶格常数，在沿(001)方向生长的InGaN/GaN量子阱中，有源区中产生较强的沿(000-1)方向的压电极化场。极化电场的存在会使量子阱的能带发生倾斜，造成空穴向有源区的注入困难，使得多个量子井内电子与空穴在有源区的复合几率显著下降，量子阱的发光效率降低。以上问题的产生存在一个共同的原因，即富In的InGaN有源区势阱层和势垒层间的晶格失配所导致的强压电极化场致使能带沿生长方向发生弯曲，不利于空穴的注入。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，以缓解现有技术中的Si衬底的(111)表面获得的富In氮化物光电器件的量子井中的强极化电场的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，包括：步骤A：在Si衬底的表面利用氨源或氮气氮化一层Si3N4膜，该Si3N4膜的晶体取向为(001)方向；步骤B：在所述Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；步骤C：在所述AlNbuffer层上外延生长GaN膜；步骤D：在所述GaN膜的表面外延生长富In组分的氮化物薄膜。
在本公开的一些实施例中，所述Si衬底选取(111)晶面作为其生长表面，所述Si衬底的厚度介于100微米至2000微米之间。
在本公开的一些实施例中，所述Si3N4膜的厚度介于1nm至200nm之间；其中，所述Si3N4膜在整个所述Si衬底表面是连续的二维薄膜；或所述Si3N4膜是以规则形状排列的非连续二维薄膜；或所述Si3N4膜是连续的或非连续的三维结构的薄膜。
在本公开的一些实施例中，所述Si3N4膜是多晶或者非晶的材料。
在本公开的一些实施例中，其中：所述Si3N4膜的生长方法为：利用N2或者裂解的氨气中的氮原子与所述Si衬底表面的Si原子进行化学反应形成薄膜；所述Si3N4膜的生长设备包括MBE、MOCVD、HVPE或CVD。
在本公开的一些实施例中，所述Si3N4膜的生长方法为利用Si3N4靶材在Si衬底表面溅射形成；其中，Si衬底的表面晶体取向为(111)方向。
在本公开的一些实施例中，其中：所述AlN成核层位于所述Si3N4膜表面；所述AlN成核层的厚度介于3nm至300nm之间；所述AlN成核层的表面晶体取向为(000-1)。
在本公开的一些实施例中，所述Si3N4膜的表面有介质掩模。
在本公开的一些实施例中，所述Si3N4膜的表面没有介质掩模。
在本公开的一些实施例中，所述AlN成核层形成连续的闭合薄膜。
在本公开的一些实施例中，所述AlN成核层形成未闭合薄膜。
在本公开的一些实施例中，所述AlN成核层的生长方法包括：MCVD、MBE、HVPE或CVD。
在本公开的一些实施例中，所述AlN成核层的生长方法包括：溅射或溶胶凝胶合成。
在本公开的一些实施例中，所述富In组分的氮化物薄膜包括InGaN；其中，In组分介于0至1之间；所述富In组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
在本公开的一些实施例中，富In组分的InGaN氮化物薄膜的晶体取向为(000-1)。
在本公开的一些实施例中，所述富In组分的氮化物薄膜包括InAlGaN；其中，In组分介于0至1之间；所述富In组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
在本公开的一些实施例中，富In组分的InAlGaN氮化物薄膜的晶体取向为(000—1)。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法具有以下有益效果：
本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法可以改变富In组分的氮化物材料中的压电极化电场的方向，有利于空穴的注入。
附图说明
图1为本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法的步骤流程图。
图2为本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-Si衬底；
20-Si3N4膜；
30-AlN成核层；
40-AlN buffer层；
50-GaN膜；
60-富In组分的氮化物薄膜。
具体实施方式
本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法通过在Si衬底表面氮化生成Si3N4膜，再在Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层，然后在AlN buffer层上生长GaN膜，最后在GaN膜表面生长富In组分的氮化物薄膜，从而改变富In组分的氮化物材料中的压电极化电场的方向，有利于空穴的注入。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开提供一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，如图1至图2所示，包括：步骤A：在Si衬底10的表面利用氨源或氮气氮化一层Si3N4膜20，该Si3N4膜20的晶体取向为(001)方向；步骤B：在Si3N4膜20的表面依次沉积生长AlN成核层30以及AlNbuffer层40；步骤C：在AlN buffer层40上外延生长GaN膜50；步骤D：在GaN膜50的表面外延生长富In组分的氮化物薄膜60。
在本公开的一些实施例中，Si衬底选取(111)晶面作为其生长表面，Si衬底的厚度介于100微米至2000微米之间。
在本公开的一些实施例中，Si3N4膜的厚度介于1nm至200nm之间；Si3N4膜在整个Si衬底表面是连续的二维薄膜。
在本公开的一些实施例中，Si3N4膜是以规则形状排列的非连续二维薄膜。
在本公开的一些实施例中，Si3N4膜是连续的或非连续的三维结构的薄膜。
在本公开的一些实施例中，Si3N4膜是多晶或者非晶的材料。
在本公开的一些实施例中，其中：Si3N4膜的生长方法为：利用N2或者裂解的氨气中的氮原子与Si衬底表面的Si原子进行化学反应形成薄膜；Si3N4膜的生长设备包括MBE(Molecular Beam Epitaxy-分子束外延)、MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition-金属有机化合物化学气相沉淀)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy-氢化物气相外延)或CVD(Chemical Vapor Deposition-化学气相淀积)。
在本公开的一些实施例中，Si3N4膜的生长方法为利用Si3N4靶材在Si衬底表面溅射形成；其中，Si衬底的表面晶体取向为(111)方向。
在本公开的一些实施例中，其中：AlN成核层位于Si3N4膜表面；AlN成核层的厚度介于3nm至300nm之间；AlN成核层的表面晶体取向为(000-1)。
在本公开的一些实施例中，Si3N4膜的表面有介质掩模。
在本公开的一些实施例中，Si3N4膜的表面没有介质掩模。
在本公开的一些实施例中，在AlN成核层生长结束后，AlN成核层形成连续的闭合薄膜。
在本公开的一些实施例中，在AlN成核层生长结束后，AlN成核层形成未闭合薄膜。
在本公开的一些实施例中，AlN成核层的生长方法包括：MCVD(Modified ChemicalVapor Deposition-改良化学气相沉积法)、MBE、HVPE或CVD。
在本公开的一些实施例中，AlN成核层的生长方法包括：溅射或溶胶凝胶合成。
在本公开的一些实施例中，富In组分的氮化物薄膜包括InGaN；其中，In组分介于0至1之间；富In组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
在本公开的一些实施例中，富In组分的InGaN氮化物薄膜的晶体取向为(000-1)。
在本公开的一些实施例中，富In组分的氮化物薄膜包括InAlGaN；其中，In组分介于0至1之间；富In组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
在本公开的一些实施例中，富In组分的InAlGaN氮化物薄膜的晶体取向为(000-1)。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法可以改变富In组分的氮化物材料中的压电极化电场的方向，有利于空穴的注入。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，包括：
步骤A：在Si衬底的表面利用氨源或氮气氮化一层Si3N4膜，该Si3N4膜的晶体取向为(001)方向；
步骤B：在所述Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；
步骤C：在所述AlN buffer层上外延生长GaN膜；
步骤D：在所述GaN膜的表面外延生长富In组分的氮化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述Si衬底选取(111)晶面作为其生长表面，所述Si衬底的厚度介于100微米至2000微米之间。
3.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述Si3N4膜的厚度介于1nm至200nm之间；
其中，所述Si3N4膜在整个所述Si衬底表面是连续的二维薄膜；或
所述Si3N4膜是以规则形状排列的非连续二维薄膜；或
所述Si3N4膜是连续的或非连续的三维结构的薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述Si3N4膜是多晶或者非晶的材料。
5.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，其中：
所述Si3N4膜的生长方法为：利用N2或者裂解的氨气中的氮原子与所述Si衬底表面的Si原子进行化学反应形成薄膜；
所述Si3N4膜的生长设备包括MBE、MOCVD、HVPE或CVD。
6.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述Si3N4膜的生长方法为利用Si3N4靶材在Si衬底表面溅射形成；
其中，Si衬底的表面晶体取向为(111)方向。
7.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，其中：
所述AlN成核层位于所述Si3N4膜表面；
所述AlN成核层的厚度介于3nm至300nm之间；
所述AlN成核层的表面晶体取向为(000-1)。
8.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述Si3N4膜的表面有介质掩模。
9.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述Si3N4膜的表面没有介质掩模。
10.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述AlN成核层形成连续的闭合薄膜。
11.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述AlN成核层形成未闭合薄膜。
12.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述AlN成核层的生长方法包括：MCVD、MBE、HVPE或CVD。
13.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述AlN成核层的生长方法包括：溅射或溶胶凝胶合成。
14.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述富In组分的氮化物薄膜包括InGaN；
其中，In组分介于0至1之间；
所述富In组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
15.根据权利要求14所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，富In组分的InGaN氮化物薄膜的晶体取向为(000-1)。
16.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，所述富In组分的氮化物薄膜包括InAlGaN；
其中，In组分介于0至1之间；
所述富In组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
17.根据权利要求16所述的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，富In组分的InAlGaN氮化物薄膜的晶体取向为(000-1)。
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