CN112992653B - 具有非对称周期结构的iii族氮化物复合衬底及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底及其加工方法，该复合衬底在特定取向的衬底上定义特定的两个方向，沿不同方向制备具有不同周期的图形，用于二次外延非、半极性III族氮化物材料。使用该复合衬底，可解决非、半极性III族氮化物在生长面内与传统常规衬底存在晶格失配各向异性的问题，从而提高非、半极性III族氮化物的外延生长质量，广泛应用于非、半极性III族氮化物光电子和电力电子器件。

Description

具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底及其加工方法
技术领域：
本发明涉及电子信息工程领域，具体涉及一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底及其加工方法，用于制备非、半极性III族氮化物模板或光电、电子电力器件。
背景技术：
以GaN为代表的III族氮化物半导体材料被称作第三代半导体，因其具有宽禁带、高电子迁移率、高击穿电压和良好的耐高温、耐辐射等特性而在近年来取得迅速发展。因缺少合适的衬底材料，当前III族氮化物材料通常是异质外延的方式生长在蓝宝石或碳化硅衬底上的。因III族氮化物与衬底间存在较大的晶格失配和热失配，通常外延生长的III族氮化物会承受较大的应力，并会存在高密度的点缺陷、线缺陷和面缺陷，这些缺陷会严重制约III族氮化物的应用。使用图形化蓝宝石衬底(如图2所示，201为图形化蓝宝石衬底的平面区域，202为图形化蓝宝石衬底的图形)触发侧向外延后再合并生长，或者直接使用AlN或GaN模板(如图3所示，301为蓝宝石衬底，302为制备的大厚度AlN或GaN)进行同质外延生长，是提高外延生长的晶体质量的重要途径。
因为III族氮化物原胞的正负电荷中心不重合，所以其为极性材料，存在极轴，即III族氮化物的C轴。传统III族氮化物均是沿C轴方向外延生长，在异质结界面会产生强大的极化电荷，形成极化电场，导致电子与空穴的波函数发生分离，即量子限制斯塔克效应，严重降低电子与空穴的复合效率。而非极性III族氮化物的外延生长方向垂直于C轴，因此沿生长方向不存在极化电场，可以完全消除限制斯塔克效应，提高电子与空穴的复合效率；半极性III族氮化物则是外延生长方向与C轴的夹角大于0°小于90°，虽然不能完全消除限制斯塔克效应，但会在很大程度上减轻其影响。因此非、半极性III族氮化物近年来引发了广泛的研究和关注。
然而，非、半极性III族氮化物在生长面内的不同方向具有不同的晶格常数，与衬底间的晶格失配也不同，即存在晶格失配的各向异性。所以，非、半极性III族氮化物的外延生长相较于极性更加困难，具有更差的晶体质量。而传统图形化衬底(如图2所示)是为满足外延生长传统极性III族氮化物而设计的，将其直接用在非、半极性III族氮化物外延生长时，无法调节非、半极性III族氮化物于衬底间晶格失配的各向异性，因此并不适用于非、半极性III族氮化物的外延生长。因此，如何重新设计、制备新型复合衬底，实现高质量的非、半极性III族氮化物外延生长，成为非、半极性III族氮化物发展的关键。
上述问题的存在，是目前制约非、半极性III族氮化物基发光器件和光电探测器件发展的重要因素，如何有效获得高质量的非、半极性III族氮化物，成为将非、半极性III族氮化物基发光器件和光电探测器件推向市场的关键。
发明内容：
由于非、半极性III族氮化物制备困难的最主要原因是由于其面晶格失配各向异性进而导致的应力的各向异性，为解决上述问题，本发明提供的一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，该复合衬底针对非、半极性III族氮化物在面内不同方向存在晶格失配各向异性的问题，特别设计了沿方向1和方向2具有不同的周期，从而分别调节两个不同方向的晶格失配，最大程度上降低面内晶格失配各向异性而导致的应力各向异性。
本发明的另一目的是提供该复合衬底的加工方法。
为实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上表面设置有图形，所述图形沿方向1按周期T1、沿方向2按周期T2间隔规律排布，所述方向1和方向2相互垂直，其中周期T1不等于周期T2，所述蓝宝石衬底的取向为{1-102}或{1-100}晶向族中的一个；所述蓝宝石衬底上表面非图形区域设置介质层。
优选地，当蓝宝石衬底的取向为{1-102}时，方向1平行于蓝宝石衬底的[-1101]方向，方向2平行于蓝宝石衬底的[11-20]方向，周期T1为2.545×C1×CM1，周期T2为：4.71×M1×CM1，其中2.491nm≤C1≤2.847nm，其中5.39nm≤M1≤6.119nm，且16nm≤CM1≤104nm；
当蓝宝石衬底的取向为{1-100}时，方向1平行于蓝宝石衬底的[0001]方向，方向2平行于蓝宝石衬底的[11-20]方向，周期T1为6.496×C2×CA1：周期T2为：4.758×A2×CA1，其中5.39nm≤C2≤6.119nm，其中4.542nm≤A2≤5.172nm，且5nm≤CA1≤75nm。
优选地，所述图形采用与蓝宝石衬底同取向的蓝宝石材料；
所述图形采用台体或柱体，高度为0.1～2μm，上表面面积不小于下表面面积的20％，
所述图形下表面沿方向1线度范围为0.1×T1～0.9×T1，所述图形沿方向2线度范围为0.1×T2～0.9×T2。
优选地，所述介质层的厚度不小于图形高度的50％，且不大于图形高度的100％，所述介质层的材质为氧化硅或氮化硅材料。
优选地，所述图形采用氧化硅或氮化硅；
所述图形采用台体、柱体、椎体、半球体或半椭球体中的一种，高度为5～2000nm；
所述图形沿方向1线度范围为0.1×T1～0.9×T1，沿方向2线度范围为0.1×T2～0.9×T2。
优选地，所述介质层的厚度大于图形的高度，所述介质层的材质为AlN或GaN或InN或AlN、GaN、InN的三元和四元合金。
优选地，当蓝宝石衬底的取向为{1-102}时，介质层的取向为{11-20}；
当蓝宝石衬底的取向为{1-100}时，介质层的取向为{11-22}。
具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底的加工方法，包括如下具体步骤：
1)对蓝宝石衬底上表面执行光刻工艺，分别沿方向1按周期T1并沿方向2按周期T2间隔刻蚀出图形；
2)对光刻工艺完成后的蓝宝石衬底表面进行氧化硅或氮化硅镀膜，镀膜厚度为图形高度的50％～100％；
3)对完成氧化硅或氮化硅镀膜的蓝宝石衬底表面执行光刻工艺，刻蚀掉氧化硅或氮化硅镀膜高于其上表面最低处部分，剩余的氧化硅或氮化硅镀膜作为介质层，完成复合衬底的加工。
具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底的加工方法，包括如下具体步骤：
1)在蓝宝石衬底表面镀一层厚度为5～2000nm的氧化硅或氮化硅薄膜；
2)对镀完氧化硅或氮化硅薄膜的蓝宝石衬底表面执行刻蚀工艺，分别沿方向1按周期T1并沿方向2按周期T2间隔刻蚀图形，所述图形高度为步骤1)中薄膜的厚度；
3)在刻蚀出图形的蓝宝石衬底上镀一层厚度大于图形高度的AlN或GaN或InN或AlN、GaN、InN的三元和四元合金薄膜，作为介质层，完成复合衬底的加工。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果
本发明将用于非、半极性III族氮化物外延生长的{1-102}或{1-100}面蓝宝石的衬底加工制备成为具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，特别设计了沿方向1和方向2具有不同的周期，从而分别调节两个不同方向的晶格失配，可以最大程度上调节III族氮化物沿面内不同方向与衬底间的晶格失配的各向异性，极大地降低因晶格失配各向异性引起的应力各向异性，提高外延生长的非、半极性III族氮化物的晶体质量。
本发明根据蓝宝石衬底的方向1和方向2与上面外延生长的III族氮化物的晶向对应关系、外延生长的AlN、GaN、InN以及它们的三元和四元合金的摩尔组分，以衬底的晶格常数与外延的III族氮化物的晶格常数的最小公倍数的整数倍严格设计图形沿方向1和方向2的周期，实现理论上晶格失配的完全调节，消除因晶格失配各向异性引起的应力各向异性。
本发明通过设置两种不同结构的图形和介质层，实现两种不同生产成本的复合衬底，满足行业内对不同价位产品的需求。在使用氧化硅或氮化硅作为图形，使用与衬底同取向的AlN、GaN、InN以及它们的三元和四元合金作为介质层时，可以实现近同质外延的生长效果，进一步提高非、半极性III族氮化物的外延生长质量。
附图说明：
图1为本发明提出的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底的俯视图；
图2为现有常规的图形化蓝宝石衬底的俯视图；
图3为现有常规的AlN或GaN模板的俯视图；
其中，101-蓝宝石衬底；102-图形；103-介质层；
201-图形化蓝宝石衬底的平面区域；202为图形化蓝宝石衬底的图形；
301-蓝宝石衬底；302-制备的大厚度AlN或GaN。
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。
实施例一：
本实施例的一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，如图1所示，包括具有特定取向的蓝宝石衬底101，在蓝宝石衬底101表面定义有方向1和方向2；蓝宝石衬底上表面设置有图形102，其中图形102沿方向1按周期T1、沿方向2按周期T2间隔规律排布，方向1和方向2相互垂直且均平行于蓝宝石衬底的取向且周期T1不等于周期T2，并且沿方向1和方向2设置的图形一致；在蓝宝石衬底上表面非图形区域还设置介质层103。本例蓝宝石衬底沿方向2设置3组图形，沿方向1设置多组图形(部分图形已省略)。
本例的蓝宝石衬底101的取向为(1-102)晶面，方向1平行于蓝宝石衬底的[-1101]方向，方向2平行于蓝宝石衬底的[11-20]方向，周期T1为2.545×C1×CM1nm，周期T2为：4.71×M1×CM1nm，其中C1＝2.491，其中M1＝5.39，且CM1＝50。即C1和M1均选取AlN的在该方向的晶面间距，CM1选取较大的重复倍数，此时周期T1计算后取整数为690nm，周期T2计算后取整数为1269nm。
蓝宝石衬底上的图形102采用与蓝宝石衬底101同取向的蓝宝石材料，图形102采用台体或柱体，本例采用台体，高度为1.5μm，其中图形下表面与蓝宝石衬底101相接，上表面面积为下表面面积的50％，图形102沿方向1的线度为0.5T1，即345nm，沿方向2线度范围为0.5×T2，即664.5nm。
介质层103的厚度为图形102高度的50％，其材质为氮化硅。
实施例二：
本实施例的一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，如图1所示，包括具有特定取向的蓝宝石衬底101，在蓝宝石衬底101表面定义有方向1和方向2；蓝宝石衬底上表面设置有图形102，其中图形102沿方向1按周期T1、沿方向2按周期T2间隔规律排布，方向1和方向2相互垂直且均平行于蓝宝石衬底的取向且周期T1不等于周期T2，并且沿方向1和方向2设置的图形一致；在蓝宝石衬底上表面非图形区域还设置介质层103。
其中，蓝宝石衬底101的取向为(1-102)晶面，方向1平行于衬底的[-1101]方向，方向2平行于[11-20]方向，周期T1为2.545×C1×CM1 nm，周期T2为：4.71×M1×CM1nm，其中C1＝2.491，其中M1＝5.39，且CM1＝50。即C1和M1均选取AlN的在该方向的晶面间距，CM1选取较大的重复倍数，此时周期T1计算后取整数为690nm，周期T2计算后取整数为1269nm。
蓝宝石衬底上的图形102采用氮化硅，图形102采用台体、柱体、椎体、半球体或半椭球体中的一种，本例采用圆台体，高度为150nm，其中图形102沿方向1线度为0.5×T1，即345nm，，沿方向2线度为0.5×T2，即664.5nm。
介质层103的厚度为200nm，其为(11-20)取向的非极性AlN。
实施例三
本例为实施例一中复合衬底的加工方法，包括如下具体步骤：
1)对蓝宝石衬底101上表面执行光刻工艺，分别沿方向1按周期T1并沿方向2按周期T2间隔刻蚀出图形；其中，T1＝690nm，T2＝1269nm
2)对光刻工艺完成后的蓝宝石衬底101表面进行氧化硅或氮化硅镀膜，镀膜厚度为图形高度的50％～100％；
3)对完成氧化硅或氮化硅镀膜的蓝宝石衬底101表面执行光刻工艺，刻蚀掉氧化硅或氮化硅镀膜高于其上表面最低处部分，剩余的氧化硅或氮化硅镀膜作为介质层103，完成复合衬底的加工。
实施例四
本例为实施例二中复合衬底的加工方法，包括如下具体步骤：
1)在蓝宝石衬底101表面镀一层厚度为150nm的氧化硅或氮化硅薄膜；
2)对镀完氧化硅或氮化硅薄膜的蓝宝石衬底101表面执行刻蚀工艺，分别沿方向1按周期T1并沿方向2按周期T2间隔刻蚀图形102，图形高度为步骤1)中薄膜的厚度150nm；其中，T1＝690nm，沿方向2的周期为T2＝1269nm
3)在刻蚀出图形的蓝宝石衬底101上使用MOCVD系统外延生长一层厚度为200nm的AlN薄膜，作为介质层103，完成复合衬底的加工。
应用实施例一：
本例采用实施例一中的复合衬底进行III族氮化物材料的外延生长试验，实施例一中蓝宝石衬底的取向为{1-102}，外延的III族氮化物材料在面内沿[0001]C方向(即衬底的[-1101]方向)与[-1100]m方向(即衬底的[11-20]方向)的晶格失配不同。本例以外延的{11-20}面的AlN为例，其面内沿[0001]C方向与蓝宝石衬底的晶格失配为2.12％、沿[-1100]m方向与蓝宝石衬底的晶格失配为-12.6％。
本发明提供的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，通过在特定方向设置不同的图形周期，相应地调节外延的III族氮化物材料在相应晶向的应力，实现最大程度上消除因晶格失配各向异性引起的应力各向异性问题。
当蓝宝石衬底的取向为{1-100}，外延的III族氮化物材料在面内沿[1-100]方向(即衬底的[0001]方向)与[-1123]方向(即衬底的[11-20]方向)的晶格失配不同。同样提供的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，通过在特定方向设置不同的图形周期，相应地调节外延的III族氮化物材料在相应晶向的应力，也可消除因晶格失配各向异性引起的应力各向异性问题。

Claims (9)

1.一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，其特征在于：
包括蓝宝石衬底(101)，所述蓝宝石衬底上表面设置有图形(102)，所述图形(102)沿方向1按周期T1、沿方向2按周期T2间隔规律排布，所述方向1和方向2相互垂直，其中周期T1不等于周期T2，所述蓝宝石衬底(101)的取向为{1-102}或{1-100}晶向族中的一个；所述蓝宝石衬底上表面非图形区域设置介质层(103)。
2.根据权利要求1所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，其特征在于：当蓝宝石衬底(101)的取向为{1-102}时，方向1平行于蓝宝石衬底的[-1101]方向，方向2平行于蓝宝石衬底的[11-20]方向，周期T1为2.545×C1×CM1，周期T2为：4.71×M1×CM1，其中2.491nm≤C1≤2.847nm，其中5.39nm≤M1≤6.119nm，且16nm≤CM1≤104nm；
当蓝宝石衬底(101)的取向为{1-100}时，方向1平行于蓝宝石衬底的[0001]方向，方向2平行于蓝宝石衬底的[11-20]方向，周期T1为6.496×C2×CA1：周期T2为：4.758×A2×CA1，其中5.39nm≤C2≤6.119nm，其中4.542nm≤A2≤5.172nm，且5nm≤CA1≤75nm。
3.根据权利要求1所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，其特征在于：
所述图形(102)采用与蓝宝石衬底(101)同取向的蓝宝石材料；
所述图形(102)采用台体或柱体，高度为0.1～2μm，上表面面积不小于下表面面积的20％，
所述图形(102)下表面沿方向1线度范围为0.1×T1～0.9×T1，所述图形(102)沿方向2线度范围为0.1×T2～0.9×T2。
4.根据权利要求3所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，其特征在于：所述介质层(103)的厚度不小于图形高度的50％，且不大于图形(102)高度的100％，所述介质层(103)的材质为氧化硅或氮化硅材料。
5.根据权利要求1所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，其特征在于：
所述图形(102)采用氧化硅或氮化硅；
所述图形(102)采用台体、柱体、椎体、半球体或半椭球体中的一种，高度为5～2000nm；
所述图形(102)沿方向1线度范围为0.1×T1～0.9×T1，沿方向2线度范围为0.1×T2～0.9×T2。
6.根据权利要求5所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，其特征在于：所述介质层(103)的厚度大于图形(102)的高度，所述介质层(103)的材质为AlN或GaN或InN或AlN、GaN、InN的三元和四元合金。
7.根据权利要求1、2、5或6所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，其特征在于：
当蓝宝石衬底(101)的取向为{1-102}时，介质层(103)的取向为{11-20}；
当蓝宝石衬底(101)的取向为{1-100}时，介质层(103)的取向为{11-22}。
8.权利要求3所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底的加工方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1)对蓝宝石衬底(101)上表面执行光刻工艺，分别沿方向1按周期T1并沿方向2按周期T2间隔刻蚀出图形(102)；
2)对光刻工艺完成后的蓝宝石衬底(101)表面进行氧化硅或氮化硅镀膜，镀膜厚度为图形(102)高度的50％～100％；
3)对完成氧化硅或氮化硅镀膜的蓝宝石衬底(101)表面执行光刻工艺，刻蚀掉氧化硅或氮化硅镀膜高于其上表面最低处部分，剩余的氧化硅或氮化硅镀膜作为介质层(103)，完成复合衬底的加工。
9.权利要求5所述的具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底的加工方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1)在蓝宝石衬底(101)表面镀一层厚度为5～2000nm的氧化硅或氮化硅薄膜；
2)对镀完氧化硅或氮化硅薄膜的蓝宝石衬底(101)表面执行刻蚀工艺，分别沿方向1按周期T1并沿方向2按周期T2间隔刻蚀图形(102)，所述图形高度为步骤1)中薄膜的厚度；
3)在刻蚀出图形的蓝宝石衬底(101)上镀一层厚度大于图形高度的AlN或GaN或InN或AlN、GaN、InN的三元和四元合金薄膜，作为介质层(103)，完成复合衬底的加工。
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