CN111341648B - 在图形衬底上生长氮化物薄膜结构及其方法 - Google Patents

在图形衬底上生长氮化物薄膜结构及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构及其方法，其方法包括：在图形衬底的凹洞图形区域内生长石墨烯；在生长有石墨烯的图形衬底上生长具有空气孔隙的III族氮化物薄膜；其中，空气孔隙形成于所述图形衬底与所述III族氮化物薄膜之间，所述石墨烯上方。本发明在外延生长前，先插入了一层选区生长的表面完整度良好的单层石墨烯插入层，并且利用金属原子在无缺陷石墨烯上表面吸附率极低的特点，诱导氮化物只在平面区域成核并以三维模式生长，最终生长成在氮化物与图形衬底有极大空气孔隙的平滑薄膜，该实施工艺简单，适合在氮化物薄膜生长及光电器件和电子器件制造领域应用。

Description

在图形衬底上生长氮化物薄膜结构及其方法
技术领域
本发明涉及半导体材料生长领域，尤其涉及一种在图形衬底上生长氮化物薄膜结构及其方法。
背景技术
随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染等一系列的问题日益突出。发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，因具有体积小、高光效、低电耗、长寿命、高环保等优势受到高度的重视。而发挥LED照明的优势，提高材料生长的质量具有重大意义，作为第三代半导体材料，氮化物在异质基底上的高质量外延一直人们所关心的。尤其AlN薄膜异质基底上高质量的外延生长，可以使得深紫外LED(DUV-LED)得以实现，并且能够应用于空气和水净化，杀菌和生物医学仪器系统等。近年来，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行的III族氮化物膜的异质外延生长对于发光二极管(LED)等光电子器件的制造成为主流，由于缺乏可以以经济成本获得的大的自然衬底，III族氮化物膜异质外延只能生长在各种异质衬底如硅，碳化硅(SiC)和蓝宝石上。作为主要用于LED制造的蓝宝石基底，由于蓝宝石衬底和III族氮化物外延层的晶格常数、热膨胀系数相差较大，直接外延生长导致晶体质量不高。
对于以上的问题，在高质量的AlN模板生长方面提出了许多技术，并取得了很大的进展，例如在有图案的蓝宝石衬底(PSS)上的外延横向生长(ELO)技术，以及有图案的AlN/蓝宝石模板(包括微米级和纳米级的图案)。图形化衬底技术是一种无生长打断、能够显著减小外延层位错密度、从而减小有源层载流子的非辐射复合、提高内量子效率的新技术。生长后形成的的空气孔隙结构通过破坏对于主要各向异性发射特别严重的全内反射，增加出射光在衬底的散射，使得更多的光进入逃离区，射出LED，从而提高光萃取率，尤其是纳米级图形化蓝宝石衬底对光萃取率的提高效果显著。由于图形化衬底技术提高了内量子效率和光萃取率，因而显著提高了LED的亮度。图案衬底的应用不仅可以有效地改善LED的光提取效率，而且可以通过降低螺纹位错密度来提高内量子效率。因此，利用图形衬底生长高空气孔隙率的氮化物薄膜并应用在LED结构中对提高其外量子效率至关重要。
石墨烯是第一个二维(2D)原子晶体，由于其表面仅有悬挂键，因此表现出极大的化学惰性，使得氮化物在无表面缺陷的石墨烯上吸附率极低，很难成核生长。单层石墨烯调控气源的气流量和生长腔室压强直接选区生长在图形衬底的凹洞图形区域上，可以给氮化物与衬底之间起到屏蔽成核生长的作用，使得氮化物不会在图形区域成核并生长，从而生长过程中完全保留图形区域的空气孔隙，形成高空气孔隙率的氮化物薄膜。综上所述，本发明将选区生长的石墨烯作为III族氮化物(GaN和AlN)异质外延时与图形区域衬底的屏蔽层，可使其在图形衬底生长成具有较好晶体质量的高空气孔隙率的氮化物薄膜。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种在图形衬底上生长化物薄膜结构及其方法，以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，包括：
在图形衬底的凹洞图形区域内生长石墨烯；
在生长有石墨烯的图形衬底上生长具有空气孔隙的III族氮化物薄膜；
其中，空气孔隙形成于所述图形衬底与所述III族氮化物薄膜之间，所述石墨烯上方。
在进一步的实施方案中，所述图形衬底为表面有一个或多个圆孔状纳米图形凹洞的蓝宝石衬底，且所述石墨烯选区生长在所述蓝宝石衬底的所述圆孔状纳米图形凹洞区域内。
在进一步的实施方案中，所述生长石墨烯为通过调控气源的气流量和生长腔室压强选区生长在凹洞图形区域内。
在进一步的实施方案中，所述生长在凹洞图形区域内的石墨烯为单层石墨烯。
在进一步的实施方案中，所述生长III族氮化物薄膜为：在MOCVD设备中采用金属有机化学气相沉积方法生长III族氮化物薄膜。
在进一步的实施方案中，所述生长III族氮化物薄膜包括：
将腔室压力升高至第一压力，在第一压力条件下进行生长氮化物成核；
将腔室压力由所述第一压力降低至第二压力，并在第二压力条件下继续生长氮化物；
将腔室压力由所述第二压力升高至第三压力，并在第三压力条件下继续生长氮化物；
其中，所述第二压力低于所述第一压力和所述第三压力。
在进一步的实施方案中，所述生长III族氮化物薄膜包括：
将温度升高至1200-1300℃，腔室压力升高至50-70Torr，生长氮化物成核10-20分钟；
温度保持不变，腔室压力降低至30-35Torr，生长氮化物1-1.5小时；
温度保持不变，腔室压力升高至50-70Torr，生长氮化物1-1.5小时。
在进一步的实施方案中，所述生长III族氮化物薄膜为生长氮化铝薄膜或氮化镓薄膜。
根据本发明的另一方面，提供一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构，包括：
图形衬底，包括一个或多个凹洞；
石墨烯，生长在所述凹洞内；
III族氮化物薄膜，生长在所述图形衬底上；
空气孔隙，位于所述图形衬底与所述氮化物薄膜之间，且在所述石墨烯上。
在进一步的实施方案中，所述石墨烯为单层石墨烯。
(三)有益效果
本发明提供一种在图形衬底生长高空气孔隙率氮化物薄膜结构及其方法，将选区生长的石墨烯作为III族氮化物(GaN和AlN)异质外延时与图形区域衬底的屏蔽层，可使其在图形衬底生长成具有高晶体质量的空气孔隙率达20％以上的高空气孔隙率的氮化物薄膜，可有效为LED器件进一步提高光提取效率和外量子效率。
附图说明
图1是本发明实施例的在具有凹洞图形衬底上图形区域处选区生长的单层石墨烯的示意图。
图2是本发明实施例的在凹洞图形衬底上图形区域处调控气源的气流量和生长腔室压强选区生长的单层石墨烯的扫面电子显微镜图片。
图3是本发明实施例的氮化物薄膜生长完成后的横截面示意图。
图4是本发明实施例的在图形衬底上生长高空气孔隙率氮化物薄膜的方法流程图。
符号说明：
1：未被覆盖的平面区域；
2：选取生长在凹洞图形区域的石墨烯；
3：图形衬底；
4：石墨烯；
5：形成的空气孔隙；
6：氮化物薄膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的一个实施例中，提供一种在图形衬底上生长氮化物薄膜的方法，包括：
在图形衬底的凹洞图形区域内生长石墨烯；
在生长有石墨烯的图形衬底上生长具有空气孔隙的III族氮化物薄膜；
其中，空气孔隙形成于所述图形衬底与所述III族氮化物薄膜之间，所述石墨烯上方。
本发明将选区生长的石墨烯作为氮化物异质外延时与图形区域衬底的屏蔽层，可使其在图形衬底生长成具有高晶体质量的高空气孔隙率的氮化物薄膜，且表面结构平整并有着较低位错密度，可有效为LED器件进一步提高光提取效率和外量子效率。
在本实施例中，所述图形衬底为表面有一个或多个圆孔状纳米图形凹洞的蓝宝石衬底，且所述石墨烯选区生长在所述蓝宝石衬底的各圆孔状纳米图形凹洞区域内。
在本实施例中，所述生长石墨烯为通过调控气源的气流量和生长腔室压强选区生长在凹洞图形区域内。
在本实施例中，所述生长III族氮化物薄膜为：在MOCVD设备中采用金属有机化学气相沉积方法生长III族氮化物薄膜。
在本实施例中，所述生长III族氮化物薄膜分为三段式，先高压后低压再高压，其包括：
将腔室压力升高至第一压力，在第一压力条件下进行生长氮化物成核；
将腔室压力由所述第一压力降低至第二压力，并在第二压力条件下继续生长氮化物；
将腔室压力由所述第二压力升高至第三压力，并在第三压力条件下继续生长氮化物；
其中，所述第二压力低于所述第一压力和所述第三压力。
优选的，所述在MOCVD设备中生长氮化物薄膜包括：
将温度升高至1200-1300℃，腔室压力升高至50-70Torr，生长氮化物成核10-20分钟；
温度保持不变，腔室压力降低至30-35Torr，生长氮化物1-1.5小时；
温度保持不变，腔室压力升高至50-70Torr，生长氮化物1-1.5小时。
在本实施例中，所述生长的III族氮化物可以是氮化铝、氮化镓等。
本发明中，外延生长III族氮化物薄膜前，先插入了一层选区生长的表面完整度良好的单层石墨烯插入层，并且利用金属原子在无缺陷石墨烯上表面吸附率极低的特点，诱导氮化铝材料只在平面区域成核并以三维模式生长，最终生长成在氮化铝与图形衬底有极大空气孔隙的平滑薄膜，该实施工艺简单，适合在氮化物薄膜生长及光电器件和电子器件制造领域应用。
在本发明的另一个实施例中，提供一种在图形衬底生长高空气孔隙率氮化物薄膜结构，如图3所示，包括：
图形衬底3，包括一个或多个凹洞；
石墨烯4，生长在所述凹洞内；
III族氮化物薄膜6，生长在所述图形衬底上；
空气孔隙5，位于所述图形衬底与所述III族氮化物薄膜之间，且在所述石墨烯上。
优选的，所述石墨烯4为单层石墨烯。
以下结合附图对本发明一示例性实施例进行详细的描述，本实施例包括以下步骤：
(1)如图1所示为在凹洞图形衬底材料上选区生长出只在凹洞图形区域存在的表面无缺陷的完整石墨烯示意图。其中，白色区域为未被覆盖的平面区域，深色区域为被表面无缺陷的完整石墨烯覆盖的凹洞图形区域。
(2)如图2所示为在凹洞图形衬底上图形区域处调控气源的气流量和生长腔室压强选区生长的单层石墨烯的扫面电子显微镜图片。通过调控气源的气流量和生长腔室压强进行生长石墨烯，在1055℃，500sccm Ar，300sccm H 2和30sccm CH4的气源条件下进行石墨烯生长约3-5小时，形成只在凹洞图形区域存在，而平面区域几乎无石墨烯存在的石墨烯/图形衬底生长模板。
(3)如图3所示为氮化物薄膜生长完成后的横截面示意图。整体外延过程为先在MOCVD设备中设备腔室压力50Torr下1200°高温成核20分钟，然后调整腔室压力为30Torr生长一个小时，温度不改变的情况下，调整MOCVD腔室压力为50torr继续生长一个小时，最终生长出表面平整且有着高空气孔隙率的氮化铝薄膜。
因此，对于图形衬底上的氮化物外延，在引入选区生长的石墨烯的情况下，可以实现空气孔隙率达20％以上的高质量氮化物薄膜的生长。
需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。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，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
另外，单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，仅用于对不同数据进行区分，可将这些单词解释为名称。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，包括：
在图形衬底的凹洞图形区域内生长石墨烯，所述石墨烯选区生长在所述凹洞图形区域内；
在生长有石墨烯的图形衬底上生长具有空气孔隙的III族氮化物薄膜；
其中，空气孔隙形成于所述图形衬底与所述III族氮化物薄膜之间，所述石墨烯上方。
2.根据权利要求1所述的一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，所述图形衬底为表面有一个或多个圆孔状纳米图形凹洞的蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，所述生长石墨烯为通过调控气源的气流量和生长腔室压强选区生长在凹洞图形区域内。
4.根据权利要求1所述的一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，所述生长在凹洞图形区域内的石墨烯为单层石墨烯。
5.根据权利要求1所述的一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，所述生长III族氮化物薄膜为：在MOCVD设备中采用金属有机化学气相沉积方法生长III族氮化物薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，所述生长III族氮化物薄膜包括：
将腔室压力升高至第一压力，在第一压力条件下进行生长氮化物成核；
将腔室压力由所述第一压力降低至第二压力，并在第二压力条件下继续生长氮化物；
将腔室压力由所述第二压力升高至第三压力，并在第三压力条件下继续生长氮化物；
其中，所述第二压力低于所述第一压力和所述第三压力。
7.根据权利要求6所述的一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，所述生长III族氮化物薄膜包括：
将温度升高至1200-1300°C，腔室压力升高至50-70Torr，生长氮化物成核10-20分钟；
温度保持不变，腔室压力降低至30-35Torr，生长氮化物1-1.5小时；
温度保持不变，腔室压力升高至50-70Torr，生长氮化物1-1.5小时。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种在图形衬底生长氮化物薄膜结构的方法，其特征在于，所述生长III族氮化物薄膜为生长氮化铝薄膜或氮化镓薄膜。
9.一种在图形衬底生长的氮化物薄膜结构，其特征在于，包括：
图形衬底（3），包括一个或多个凹洞；
石墨烯（4），选区生长在所述凹洞内；
III族氮化物薄膜（6），生长在所述图形衬底上；
空气孔隙（5），位于所述图形衬底与所述III族氮化物薄膜之间，且在所述石墨烯上。
10.根据权利要求9所述的一种在图形衬底生长的氮化物薄膜结构，其特征在于，所述石墨烯（4）为单层石墨烯。
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