CN112687523B - Ⅲ族氮化物模板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种III族氮化物模板的制备方法，包括：在异质衬底上形成混合极性III族氮化物的成核层，成核层中含有N极性III族氮化物和金属极性III族氮化物；在成核层上形成混合极性III族氮化物的生长层，生长层中包含金属极性III族氮化物晶柱和N极性III族氮化物晶柱，且金属极性III族氮化物晶柱高于N极性III族氮化物晶柱；在生长层的金属极性III族氮化物晶柱的上表面通过横向外延形成金属极性III族氮化物的合拢层；形成成核层和生长层的氮源和III族金属源的摩尔比均大于500∶1，形成合拢层的氮源和III族金属源的摩尔比小于500∶1。本申请的方法无需额外增加腐蚀工序就可以在模板中引入微小孔洞，提高了III族氮化物的晶体质量。

Description

Ⅲ族氮化物模板的制备方法

技术领域

本申请涉及半导体材料制备领域，特别涉及III族氮化物模板的制备方法。

背景技术

III族氮化物，具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等优点，广泛应用于紫外发光二极管、紫外光探测器、光学频率梳、声波滤波器等器件中，是最具发展前景的一类半导体材料。而想要得到高质量的半导体材料，采用同质衬底是较为理想的选择。

但是，现阶段缺乏大尺寸的同质衬底，所以普遍采用由异质衬底和生长于其上的III族氮化物(例如氮化铝等)外延层构成的模板来制备III族氮化物半导体材料。由于III族氮化物与异质衬底之间存在较大的热失配和晶格失配，因此在异质衬底上生长的III族氮化物外延层容易出现高密度的位错缺陷以及残余应变。

已有报道通过在外延层中引入孔洞来解决上述问题。所引入的孔洞一方面可以终止位错的延续，另一方面可以释放应变，从而有效地提高III族氮化物模板的晶体质量。

例如，已知一种AlN模板的制备方法，其先在蓝宝石衬底上形成混合极性(同时含有N极性和Al极性)的AlN外延层，然后通过腐蚀工序，对混合极性外延层中的N极性AlN进行腐蚀，以去除部分N极性AlN，从而使得Al极性AlN的高度大于N极性AlN，最后在Al极性AlN上形成连续的Al极性AlN层。该制备方法通过腐蚀N极性AlN而在原位形成了孔洞，提高了AlN模板的晶体质量。但是，由于必须增加的腐蚀工序使得该方法的制备过程繁琐，AlN模板的制备成本高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种III族氮化物模板的制备方法，以在不增加腐蚀工序的情况下，制备出含有孔洞的III族氮化物模板。具体方案如下。

一种III族氮化物模板的制备方法，其特征在于，包括：

在异质衬底上形成混合极性III族氮化物的成核层，所述成核层中含有 N极性III族氮化物和金属极性III族氮化物；

在所述成核层上形成混合极性III族氮化物的生长层，所述生长层中包含金属极性III族氮化物晶柱和N极性III族氮化物晶柱，且金属极性III族氮化物晶柱高于N极性III族氮化物晶柱；

在所述生长层的金属极性III族氮化物晶柱的上表面通过横向外延形成金属极性III族氮化物的合拢层；

其中，形成所述成核层和所述生长层的氮源和III族金属源的摩尔比均大于500∶1，形成所述合拢层的氮源和III族金属源的摩尔比小于500∶1；

所述生长层的形成温度低于1000℃。

根据本申请的一种实施方案，该方法在异质衬底上形成成核层之前还包括：

向所述异质衬底通入氮源，对异质衬底进行氮化处理；

优选地，所通入的氮源流量为100-200sccm，通入时间为5-20秒；氮化处理的温度为500-1000℃，优选为700-900℃，压力为30-100mbar，优选为40-60mbar。

根据本申请的一种实施方案，该方法还包括对形成有合拢层的III族氮化物模板进行热退火处理；

优选地，所述热退火处理包括：

将两个模板相对放置，使两个模板中的合拢层表面相互贴合；

在惰性气氛中，在1500-1800℃的温度下对所述模板热退火0.5-3小时。

根据本申请的一种实施方案，形成所述成核层和所述生长层的氮源和 III族金属源的摩尔比均为1000∶1-5000∶1，优选为1500∶1-3000∶1；和/或

形成所述合拢层的氮源和III族金属源的摩尔比为500∶1-1∶1，优选为 400∶1-200∶1。

根据本申请的一种实施方案，所述成核层的形成温度为500-990℃，优选为700-900℃，所述成核层的形成压力为30-100mbar，优选为 40-60mbar，所述成核层的厚度为5-50nm，优选为10-30nm。

根据本申请的一种实施方案，所述生长层的形成温度为500-990℃，优选为800-990℃，所述生长层的形成压力为30-100mbar，优选为 40-60mbar，所述生长层的厚度为500-1000nm，优选为600-800nm。

根据本申请的一种实施方案，所述合拢层的形成温度为 1000-1400℃，优选为1100-1300℃，所述合拢层的形成压力为 30-100mbar，优选为40-60mbar，所述合拢层的厚度为500-1500nm，优选为700-1000nm。

根据本申请的一种实施方案，所述异质衬底选自蓝宝石衬底、碳化硅衬底或金属衬底，优选为蓝宝石衬底。

根据本申请的一种实施方案，所述成核层、生长层及合拢层分别通过金属有机物化学气相沉积方法、氢化物气相外延和分子束外延中的任意一种方法形成。

根据本申请的一种实施方案，所述方法采用如下至少一种条件：

所述氮源选自氨、氮等离子体、肼类化合物和胺类化合物中的至少一种，优选为氨；

所述III族金属源选自有机金属，优选选自三甲基铝和三乙基铝中的至少一种；

所述III族氮化物选自GaN、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一种，优选为AlN。

有益效果

本申请通过采用特定的氮源和III族金属源摩尔比以及低于1000℃的温度形成混合极性III族氮化物生长层，在保证生长层中氮化物的三维模式生长的同时，可以使得生长层中的金属极性III族氮化物晶柱与N极性III族氮化物晶柱之间产生合适的高度差；进而在形成合拢层后，N极性III族氮化物晶柱与合拢层之间就可以形成孔洞。可见，本申请提供的方法无需额外增加腐蚀工序就可以在模板中引入孔洞，从而提高III族氮化物模板的晶体质量。此外，通过在形成生长层之前先形成成核层，也有利于减少位错和应变，进一步提高晶体质量。

附图说明

图1为本申请实施例1中形成了混合极性AlN成核层的AlN模板结构示意图；

图2为本申请实施例1中形成了混合极性AlN生长层的AlN模板结构示意图；

图3为本申请实施例1中形成的混合极性AlN生长层的AFM(原子力显微镜)照片；

图4为本申请实施例1中形成了Al极性AlN合拢层的AlN模板的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本申请中所用的术语一般为本领域技术人员常用的术语，如果与常用术语不一致，以本申请中的术语为准。

在本文中，术语“混合极性III族氮化物”是指该III族氮化物同时含有N 极性III族氮化物和金属极性III族氮化物。例如，混合极性AlN是指AlN同时含有N极性AlN和Al极性AlN。

本文中，术语“厚度”、“高”和“高度”均是用于描述物体沿着垂直衬底表面方向的维度。

本文中，术语“成核层的厚度”定义为成核层的最高点到衬底表面之间的距离。其中，成核层的最高点是指具有最大厚度的III族氮化物的最高点。

本文中，术语“生长层的厚度”定义为生长层的最高点到成核层的最高点所在平面之间的距离，其中生长层的最高点是指生长层中所有金属极性III族氮化物晶柱的最高点。

本文中，术语“合拢层的厚度”定义为合拢层的最高点到生长层的最高点所在平面之间的距离。

在本文中，术语“平面”除非有特殊说明，否则均是指平行于衬底表面的平面。

在本文中，术语“三维模式生长”是指既沿着横向进行生长，又沿着纵向进行生长，且沿着纵向进行生长的速率大于或者等于沿着横向生长的速率。其中“横向”是指平行或基本平行于衬底表面的方向。“纵向”是指垂直或基本垂直于衬底表面的方向。

下面对本申请提供的一种III族氮化物模板的制备方法进行具体的说明。

本申请提供了一种III族氮化物模板的制备方法，其包括：

(1)在异质衬底上形成混合极性III族氮化物的成核层，成核层中含有 N极性III族氮化物和金属极性III族氮化物；

(2)在所述成核层上形成混合极性III族氮化物的生长层，所述生长层中包含金属极性III族氮化物晶柱和N极性III族氮化物晶柱，且金属极性III 族氮化物晶柱高于N极性III族氮化物晶柱；

(3)在生长层的金属极性III族氮化物晶柱的上表面通过横向外延形成金属极性III族氮化物的合拢层；

其中，形成成核层和生长层的氮源和III族金属源的摩尔比均大于 500∶1，形成合拢层的氮源和III族金属源的摩尔比小于500∶1；

所述生长层的形成温度低于1000℃。

通过本申请提供的方法制备得到的III族氮化物模板包括异质衬底，以及在该异质衬底上依次形成的混合极性III族氮化物的成核层(下文中，也简称为成核层)、混合极性III族氮化物的生长层(下文中，也简称为生长层)以及金属极性III族氮化物的合拢层(下文中，也简称为合拢层)。所形成的III族氮化物模板中包含微小的孔洞，通过孔洞一方面可以终止位错的延续，另一方面可以释放应变，从而有效地提高III族氮化物的晶体质量。

此外，由于异质衬底和III族氮化物之间存在较大的热失配和晶格失配，因此如果直接在异质衬底上形成混合极性III族氮化物的生长层容易出现高密度的位错缺陷以及残余应变。发明人发现，通过预先在异质衬底上形成一定厚度的成核层，可以有效地减少位错与应变，提高晶体的质量。所形成的成核层中含有N极性III族氮化物和金属极性III族氮化物，这些氮化物具有三维岛状形貌，本文中也称其为成核岛。通常各成核岛彼此相分离。

进一步地，发明人通过深入的研究探索发现，采用以下条件形成成核层时，更容易获得高密度的成核岛，同时能够减少不希望的气相预反应。

优选地，在步骤(1)中，成核层的形成温度可以为500-990℃，优选为700-900℃。成核层的形成压力为30-100mbar，优选为40-60mbar。当成核层的形成温度低于500℃和/或成核层的形成压力低于30mbar时，成核层的生长速率过慢。当成核层的形成温度高于990℃和/或成核层的形成压力高于100mbar时，成核层中的成核岛密度较低，且气相预反应增多。

此外，通过控制氮源和III族金属源的摩尔比大于500∶1才可以实现在异质衬底上形成混合极性III族氮化物的成核层。如果氮源和III族金属源的摩尔比小于500∶1，则更容易形成金属极性III族氮化物的成核层。

在本申请的一些优选实施方式中，形成成核层的氮源和III族金属源的摩尔比为1000∶1-5000∶1，优选为1500∶1-3000∶1。

发明人发现，在步骤(1)中，通过进一步调整氮源和III族金属源的摩尔比，例如将氮源和III族金属源的摩尔比调整为1000∶1-5000∶1的范围内，优选1500∶1-3000∶1范围内，可以增加成核层中N极性III族氮化物的密度，这有利于在最终形成的模板中增加孔洞的密度。发明人进一步发现，提高模板中孔洞的密度更有利于减少位错缺陷。这是因为孔洞的边界可以终止位错。当位错延伸至孔洞的边界时，其继续延伸的方向只有孔洞内部的空腔，而不存在晶体，因此位错被迫终止。基于此，孔洞密度越高，位错就有更大的几率遇到孔洞，位错也因此更容易被终止。

在本申请的另一些优选实施方式中，成核层的厚度为5-50nm，优选为 10-30nm。在此范围内的成核层厚度，有利于后续的生长层的形成。如果成核层的厚度低于5nm，则成核层中的成核岛密度太低、尺寸太小，不利于后续生长层的形成，如果成核层的厚度高于30nm，则成核岛的尺寸过大，容易产生位错以及应变，影响最终模板的晶体质量。

在步骤(2)中，形成生长层的氮源和III族金属源的摩尔比大于500∶1。通过控制氮源和III族金属源的摩尔比在此范围内，可以促进混合极性III族氮化物的三维模式生长，即形成含有金属极性表III族氮化物晶柱和N极性III族氮化物晶柱的生长层。如果氮源和III族金属源的摩尔比小于500∶1，则更容易形成金属极性的III族氮化物，而抑制N极性III族氮化物的生长。此外，发明人出人意料地发现，将上述的大于500∶1的摩尔比与低于1000℃的温度相配合来形成生长层，可以使得金属极性III族氮化物晶柱高于N极性III族氮化物晶柱，且二者之间产生合适的高度差，并基于此引入微小的孔洞。可以理解的是，金属极性III族氮化物晶柱高于N极性III族氮化物晶柱是指金属极性III族氮化物晶柱的上表面到衬底表面之间的距离大于N极性III族氮化物晶柱的上表面到衬底表面之间的距离。

在本申请的一些优选实施方式中，形成生长层的氮源和III族金属源的摩尔比为1000∶1-5000∶1，优选为1500∶1-3000∶1。通过将氮源和III族金属源控制在此范围内，可以使得N极性III族氮化物晶柱具有较小的横向尺寸，由此可以使得最终引入的孔洞的横向尺寸较小。而孔洞的尺寸小，则合拢层在覆盖该孔洞时产生的取向差异就小，由此产生的位错、应变少。与已知的AlN模板的制备方法通过湿法腐蚀工序引入的孔洞相比，通过本申请的制备方法所引入的孔洞尺寸更小，密度更大。由此可以使得模板的晶体具有更少的位错缺陷以及残余应变。

在本申请的一些具体实施方式中，在步骤(2)中，生长层的形成温度为500-990℃，优选为800-990℃。生长层的形成压力为30-100mbar，优选为40-60mbar。通过控制生长层的形成温度、形成压力可以得到性能优良的生长层。当生长层的形成温度低于500℃和/或生长层的形成压力低于 30mbar时，生长层的生长速率过慢。当生长层的形成温度高于1000℃和/ 或生长层的形成压力高于100mbar时，生长层中的金属极性III族氮化物容易提前合拢而无法获得期望的孔洞，同时还会使不希望的气相预反应增多。

在本申请的一些实施方式中，生长层的形成温度高于成核层的生长温度。

在本申请的一些优选实施方式中，生长层的厚度为500-1000nm，优选为600-800nm。将生长层的厚度控制在此范围内，更有利于获得期望的金属极性III族氮化物晶柱与N极性III族氮化物晶柱之间的高度差。

在步骤(3)中，通过控制氮源和III族金属源的摩尔比小于500∶1，一方面可以促进两种极性的氮化物的横向外延生长，另一方面可以使金属极性III族氮化物的生长速率相比于N极性III族氮化物的生长速率更快，最终使得生长层中的金属极性III族氮化物合拢形成连续的金属极性III族氮化物的合拢层。形成合拢层后，在合拢层和N极性III族氮化物晶柱之间形成了孔洞。可见，本申请提供的制备方法在形成生长层后，可以直接形成合拢层，从而形成孔洞，无需额外增加腐蚀工序。

在本申请的一些实施方式中，在步骤(3)的氮源和III族金属源的摩尔比为500∶1-1∶1，优选为400∶1-200∶1。发明人发现，随着氮源和III族金属源的摩尔比逐渐减小，金属极性III族氮化物和N极性III族氮化物外延生长的速率差更大，更利于金属极性III族氮化物的快速合拢。

在本申请的另一些实施方式中，合拢层的形成温度为1000-1400℃，优选为1100-1300℃，合拢层的形成压力为30-100mbar，优选为 40-60mbar。

通过控制合拢层的形成温度、形成压力可以得到性能优良的合拢层。当合拢层的形成温度低于1000℃和/或合拢层的形成压力低于30mbar时，合拢层的合拢速率过慢。当合拢层的形成温度高于1400℃和/或合拢层的形成压力高于100mbar时，不期望的气相预反应增多，且增加模板的制备成本。

在本申请的一些实施方式中，所述合拢层的厚度为500-1500nm，优选为700-1000nm。将合拢层的厚度控制在此范围内，更有利于提升模板的整体性能。如果合拢层的厚度小于700nm，则合拢层的表面可能合拢不完全或者其表面粗糙度太高，如果合拢层的厚度大于1000nm，则合拢层会累积更多不希望的应变，同时增加模板的制备成本。

在本申请的一些优选实施方式中，在异质衬底上形成成核层之前还包括：

向异质衬底通入氮源，对异质衬底进行氮化处理。更为具体地，所通入的氮源流量为100-200sccm，通入时间为5-20秒，氮化处理的温度为 500-1000℃，优选为700-900℃，压力为30-100mbar，优选为40-60mbar。此时，仅通入氮源而不通入III族金属源，并不会在异质衬底上形成III族氮化物。但是，氮源可以和衬底表面的部分原子发生结合，更有利于后续沉积形成混合极性III族氮化物的成核层。

在本申请的另一些实施方式中，在对异质衬底进行氮化之前，还可以对衬底进行预处理，以去除其表面的杂质，方面后续的成核。更为具体地，预处理步骤包括将异质衬底置于氢气气氛中，在30-100mbar的压力下，将衬底表面即热到1000-1200℃，并保持5-20分钟。

在本申请的又一些实施方式中，还包括对形成有合拢层的III族氮化物模板进行热退火处理；

具体地，所述热退火处理包括：

将两个模板相对放置，使两个模板中的合拢层表面相互贴合；在惰性气氛中，在1600-1800℃的温度下对所述模板热退火0.5-3小时。发明人发现，退火过程中，III族氮化物的晶格会发生重新排布，模板中贯穿到合拢层中的位错可以在退火过程中进一步湮灭，应变可以进一步缓解。

此外，在进行热退火处理时，将两个模板相对放置使得只有衬底裸露于高温下，而两个复合模板中的III族氮化物由于表面相互贴合接触，避免直接裸露于退火气氛中，这样可以保护III族氮化物几乎不会热分解到气相中，而只是随着热退火的进行在内部进行重结晶。

此外，对于异质衬底，本申请没有特别限定，本领域任何合适的异质衬底都可以用来实现本申请的技术方案。在本申请的一些实施方式中，所采用的衬底可以选自自蓝宝石衬底、碳化硅衬底或金属衬底，优选为蓝宝石衬底。所说的金属衬底可以为钼、钛等耐高温金属。

再者，对于成核层、生长层及合拢层的形成方法，本申请没有特别限定。例如，可以采用本领域技术人员熟知的金属有机物化学气相沉积方法、氢化物气相外延或分子束外延中的任意一种方法形成，优选地，采用金属有机物化学气相沉积方法来形成。

本申请的技术方案对于所使用的N源没有特别的限定。具体地，N源可以选自氨、氮等离子体、肼类化合物和胺类化合物中的至少一种，在本申请的一种具体实施方案中，N源为氨。

本申请中，可以根据所要形成的III族氮化物的具体组成来确定所采用的III族金属源。一般地，III族金属源选自有机金属。例如，当所制备的III 族氮化物为AlN时，III族金属源可以选自三甲基铝和三乙基铝中的至少一种。

采用本申请提供的方法所制备的模板，其所包含的III族氮化物包括但不限于GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)、AlGaN(氮化铝镓)、InGaN(铟镓氮)、AlInGaN(铝铟镓氮)中的至少一种，优选为AlN。

当III族氮化物为AlN时，本申请实际上提供了一种AlN模板的制备方法，其包括：

在异质衬底优选为蓝宝石衬底上形成混合极性AlN的成核层，所述成核层中含有N极性AlN和Al极性AlN；

在所述成核层上形成混合极性AlN的生长层，所述生长层中包含Al 极性AlN晶柱和N极性AlN晶柱，且Al极性AlN晶柱高于N极性AlN 晶柱；

在Al极性AlN晶柱的上表面通过横向外延形成Al极性AlN的合拢层；

其中，形成所述成核层和所述生长层的氮源和Al源的摩尔比均大于 500∶1，形成所述合拢层的氮源和Al源的摩尔比小于500∶1，生长层的形成温度低于1000℃。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1 AlN模板的制备

(1)形成成核层

将蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相沉积设备(德国Aixtron Flip Top CCSMOCVD)的反应室中，将反应室的温度升高至800℃，反应室内的压力调整至50mbar，同时通入160sccm的氨气和由20sccm的氢气(作为载气)所携带的三甲基铝气体(20sccm的氢气载气从三甲基铝鼓泡瓶中携带微量三甲基铝蒸气，装有三甲基铝液体的鼓泡瓶压力为1300mbar，温度为17℃)，通入时间为240秒，形成厚度为20nm的混合极性AlN的成核层。其中，所通入的氨气和三甲基铝的摩尔比(简称为N/Al摩尔比)为 1000。所形成的成核层的结构示意图参见图1。从图1中可以看出，在衬底3上形成了混合极性AlN的成核层，其包括间隔布置的N极性AlN 1和 Al极性AlN 2。

(2)形成生长层

在形成了成核层后，停止向反应室内通入三甲基铝气体，但继续通入氨气，氨气流量逐渐变化到640sccm。保持反应室内的压力为50mbar，待反应室内的温度升高到950℃后，再次通入由40sccm的氢气(作为载气) 所携带的三甲基铝气体(装有三甲基铝液体的鼓泡瓶压力为1300mbar，温度为17℃)，1800秒后，形成600nm的混合极性AlN的生长层。其中，在同时通入氨气和三甲基铝的过程中，二者的摩尔比为2000。所形成的生长层的结构示意图参见图2。从图2中可以看出，在衬底3上形成的Al极性 AlN 2的高度高于N极性AlN 1的高度。图3为所形成的生长层的AFM照片。照片中较为明亮的部分为高度更大的Al极性AlN，较暗的部位为高度更小的N极性AlN。从该AFM照片可以确定本实施例形成了混合极性AlN 的生长层。

(3)形成合拢层

停止向反应室内通入三甲基铝气体，但继续通入氨气，氨气流量逐渐变化为240sccm。保持反应室内的压力为50mbar，待反应室内的温度升高到1250℃后，再次通入由100sccm的氢气(作为载气)所携带的三甲基铝气体(装有三甲基铝液体的鼓泡瓶压力为1300mbar，温度为17℃)，1200 秒后形成1000nm的Al极性AlN的合拢层，其中，在同时通入氨气和三甲基铝的过程中，二者的摩尔比为300。然后停止向反应室内通入三甲基铝气体，但继续通入氨气，直至反应室内的温度降至500℃后停止通入氨气。待反应室温度进一步降至室温后，将AlN模板取出。

所形成的合拢层的结构示意图参见图4。从图4中可以看出，在Al极性AlN晶柱的上方，形成了连续的Al极性AlN合拢层。从图4中进一步可以看出，在合拢层和N极性AlN之间，形成了多个孔洞4。

可以理解的是，在实施例制备AlN模板的过程中，反应室的温度即为成核层的形成温度。反应室内的压力即为成核层的形成压力。

实施例2 AlN模板的制备

在实施例1的步骤(3)之后增加热退火步骤，其它步骤与实施例1相同。

所增加的热退火工序的具体操作如下。

将采用实施例1的方法制备的两个模板相对放置在石磨盘凹槽中进行退火，其中，使两个模板中的合拢层表面相互贴合；蓝宝石衬底裸露在两侧。退火温度为1750℃，退火时间在2小时，退火气氛为高纯氮气(纯度 99.99％)气氛，退火压力为常压。

实施例3 AlN模板的制备

在实施例2的步骤(1)之前增加对衬底进行氮化处理的步骤。实施例 3的具体操作如下。

将蓝宝石衬底放到金属有机物化学气相沉积设备的反应室中，将反应室的温度升高至800℃，反应室内的压力调整至50mbar，通入氨气10秒，氮气的流量为100sccm，对蓝宝石衬底进行氮化处理。然后在保持温度和压力的条件下，再按照实施例1中步骤(1)形成厚度为20nm的混合极性 AlN的成核层。此外，生长层和合拢层的形成与实施例1的步骤(2)-(3) 相同。

实施例4 AlN模板的制备

在实施例3的氮化处理步骤之前增加对衬底进行预处理的步骤。实施例4的具体操作如下。

将蓝宝石衬底放到金属有机物化学气相沉积设备的反应室中，将反应室的温度升高至1100℃，将反应室内的压力调整至50mbar，并向反应室通入在氢气，保持10分钟，以去除衬底表面的杂质。然后停止通入氢气，并将反应室内的温度降至800℃，再进行与实施例3相同的氮化处理以及后续的步骤。

实施例5-8 AlN模板的制备

以下表1中的参数相应地替换实施例1中的参数，按实施例4的方法制备AlN模板。

表1

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域中的技术人员来说，本申请可以有各种修改和变化。凡在本申请的主旨和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种Ⅲ族氮化物模板的制备方法，其特征在于，包括：

在异质衬底上形成混合极性Ⅲ族氮化物的成核层，所述成核层中含有彼此分离的N极性Ⅲ族氮化物和金属极性Ⅲ族氮化物；

在所述成核层上形成混合极性Ⅲ族氮化物的生长层，所述生长层中包含金属极性Ⅲ族氮化物晶柱和N极性Ⅲ族氮化物晶柱，且金属极性Ⅲ族氮化物晶柱高于N极性Ⅲ族氮化物晶柱；

在所述生长层的金属极性Ⅲ族氮化物晶柱的上表面通过横向外延形成金属极性Ⅲ族氮化物的合拢层；

其中，形成所述成核层和所述生长层的氮源和Ⅲ族金属源的摩尔比均大于500:1，形成所述合拢层的氮源和Ⅲ族金属源的摩尔比小于500:1；

所述生长层的形成温度低于1000℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在异质衬底上形成成核层之前还包括：

向所述异质衬底通入氮源，对异质衬底进行氮化处理。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括对形成有合拢层的Ⅲ族氮化物模板进行热退火处理。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，形成所述成核层和所述生长层的氮源和Ⅲ族金属源的摩尔比均为1000:1-5000:1；和/或

形成所述合拢层的氮源和Ⅲ族金属源的摩尔比为500:1-1:1。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述成核层的形成温度为500-990℃，所述成核层的形成压力为30-100mbar，所述成核层的厚度为5-50nm。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述生长层的形成温度为500-990℃，所述生长层的形成压力为30-100mbar，所述生长层的厚度为500-1000nm。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述合拢层的形成温度为1000-1400℃，所述合拢层的形成压力为30-100mbar，所述合拢层的厚度为500-1500nm。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述异质衬底选自蓝宝石衬底、碳化硅衬底或金属衬底。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，

所述成核层、生长层及合拢层分别通过金属有机物化学气相沉积方法、氢化物气相外延和分子束外延中的任意一种方法形成。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法采用如下至少一种条件：

用于形成所述成核层、生长层及合拢层的所述氮源选自氨、氮等离子体、肼类化合物和胺类化合物中的至少一种；

用于形成所述成核层、生长层及合拢层的所述Ⅲ族金属源选自有机金属；

所述Ⅲ族氮化物选自GaN、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一种。

11.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所通入的氮源流量为100-200sccm，通入时间为5-20秒；氮化处理的温度为500-1000℃，压力为30-100mbar。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，氮化处理的温度为700-900℃，压力为40-60mbar。

13.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，形成所述成核层和所述生长层的氮源和Ⅲ族金属源的摩尔比均为1500:1-3000:1。

14.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，形成所述合拢层的氮源和Ⅲ族金属源的摩尔比为400:1-200:1。

15.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述成核层的形成温度为700-900℃，所述成核层的形成压力为40-60mbar，所述成核层的厚度为10-30nm。

16.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述生长层的形成温度为800-990℃，所述生长层的形成压力为40-60mbar，所述生长层的厚度为600-800nm。

17.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述合拢层的形成温度为1100-1300℃，所述合拢层的形成压力为40-60mbar，所述合拢层的厚度为700-1000nm。

18.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述Ⅲ族金属源选自三甲基铝和三乙基铝中的至少一种。

19.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热退火处理包括：

将两个模板相对放置，使两个模板中的合拢层表面相互贴合；

在惰性气氛中，在1500-1800℃的温度下对所述模板热退火0.5-3小时。

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