一種非極性Ⅲ族氮化物外延薄膜的制作方法

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子材料和器件制造領(lǐng)域，尤其是一種非極性ⅲ族氮化物外延薄膜。

背景技術(shù)：

aln、gan、inn及其三元四元化合物等iii族氮化物均為直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，它們具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)和熱導(dǎo)率、高電子遷移速率及耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，其室溫帶隙寬度從inn的0.7ev到gan的3.4ev，直至aln的6.2ev，以其制備的光電器件發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋了從遠(yuǎn)紅外到深紫外的波長(zhǎng)范圍。

目前，ⅲ族氮化物單晶及其合金主要是在c面藍(lán)寶石等襯底上外延生長(zhǎng)獲得的極性材料。極性ⅲ族氮化物材料應(yīng)力分布均勻，生長(zhǎng)模式可控，容易獲得缺陷較少的高質(zhì)量外延材料和器件。但是，由于極性材料中量子限制斯塔克效應(yīng)的存在，異質(zhì)結(jié)附近的能帶會(huì)發(fā)生彎曲，導(dǎo)致電子和空穴的波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，使得電子和空穴的復(fù)合效率下降，嚴(yán)重影響極性發(fā)光二極管(led)的發(fā)光效率，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)的紅移。

雖然非極性材料在其生長(zhǎng)方向上不存在極化電場(chǎng)，可完全消除斯塔克效應(yīng)的影響，提高led的內(nèi)量子效率。但在生長(zhǎng)過程中，由于非極性外延薄膜沿不同方向的生長(zhǎng)速度存在顯著的各向異性，因此會(huì)直接導(dǎo)致外延薄膜表面分布大量的、具有特定方向性的三角形深坑，且難以在隨后的生長(zhǎng)過程中合并。另外，生長(zhǎng)速度的各向異性還會(huì)導(dǎo)致外延材料沿不同方向的晶體質(zhì)量差異較大，使得外延層晶體質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響器件性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種非極性ⅲ族氮化物外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，能夠獲得高質(zhì)量的非極性ⅲ族氮化物外延薄膜。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種非極性ⅲ族氮化物外延薄膜，由下至上依次包括襯底101，具有一定表面覆蓋率的插入層或掩模構(gòu)成的第一層圖形結(jié)構(gòu)102，在第一層圖形結(jié)構(gòu)102上制備的具有一定排列方向性和周期性的網(wǎng)狀四邊形的第二層圖形結(jié)構(gòu)103和在襯底101上、并透過第一層圖形結(jié)構(gòu)102和第二層圖形結(jié)構(gòu)103沿特定方向側(cè)向外延生長(zhǎng)的非極性ⅲ族氮化物外延薄膜104。

優(yōu)選的，所述的襯底101為可外延生長(zhǎng)非極性ⅲ族氮化物材料的藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氧化鋅等常用襯底材料或者非極性氮化鎵、氮化鋁等iii族氮化物材料，厚度不限。

優(yōu)選的，所述的第一層圖形結(jié)構(gòu)102為由表面覆蓋率為x的sio2等常用半導(dǎo)體工藝掩模材料制備的周期性圖形，或者由mgnx、sinx等可觸發(fā)平行于襯底表面的側(cè)向外延生長(zhǎng)的介質(zhì)材料制備的隨機(jī)分布圖形，其厚度為0.01～5μm，未覆蓋區(qū)域需露出下面的襯底101，露出區(qū)域亦將全部或者大部不被第二層圖形結(jié)構(gòu)103所覆蓋，以保證在襯底上側(cè)向外延的順利進(jìn)行，其中x滿足0<x<1。

優(yōu)選的，所述的第二層圖形結(jié)構(gòu)103為sio2、mgnx、sinx等常用的半導(dǎo)體工藝掩模材料制備的、呈周期性排列的網(wǎng)狀四邊形結(jié)構(gòu)，其厚度為0.01～5μm，其銳角頂角分別指向非極性iii族氮化物側(cè)向外延生長(zhǎng)速度最快的方向1和與之方向相反的、側(cè)向外延生長(zhǎng)速度最慢的方向3，而鈍角頂角指向外延速度較快的方向2，頂角θ的大小可依據(jù)所生長(zhǎng)的非極性ⅲ族氮化物的種類進(jìn)行調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的，所述的非極性ⅲ族氮化物外延薄膜104，可以是非極性aln、gan、inn單晶及其三元四元化合物，其組分和厚度不限。

本發(fā)明的有益效果為：采用本發(fā)明提供的雙重圖形結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)非極性ⅲ族氮化物外延薄膜，可以觸發(fā)非極性iii族氮化物的側(cè)向外延生長(zhǎng)，在襯底上形成島狀氮化物結(jié)構(gòu)。當(dāng)島狀氮化物在后續(xù)的外延生長(zhǎng)過程中合并時(shí)，可使其沿通常側(cè)向外延生長(zhǎng)速度較快的方向1和2的生長(zhǎng)受到抑制，而使其沿通常側(cè)向外延生長(zhǎng)速度較慢的方向3的生長(zhǎng)得到促進(jìn)，因此從結(jié)構(gòu)上解決了非極性ⅲ族氮化物生長(zhǎng)速度各向異性的難題，容易獲得較為平坦的外延薄膜表面。同時(shí)，由于沿各個(gè)方向的側(cè)向外延生長(zhǎng)速度達(dá)到較為平衡的狀態(tài)，因此有助于減弱底部堆垛層錯(cuò)和其他缺陷位錯(cuò)對(duì)晶體質(zhì)量的影響，最終獲得高質(zhì)量的非極性ⅲ族氮化物外延薄膜。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的具有雙重圖形結(jié)構(gòu)的非極性ⅲ族氮化物外延薄膜的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的具有雙重圖形結(jié)構(gòu)的非極性ⅲ族氮化物外延薄膜的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)制備的僅具有單層圖形化襯底的非極性ⅲ族氮化物外延薄膜的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，101、襯底；102、第一層圖形結(jié)構(gòu)；103、第二次圖形結(jié)構(gòu)；104、非極性ⅲ族氮化物外延薄膜；301、圖形化襯底；302、非極性ⅲ族氮化物外延薄膜。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，為本發(fā)明提供的具有雙重圖形結(jié)構(gòu)的非極性algan外延薄膜，其特征在于：包括由下至上依次設(shè)置的非極性氮化鋁襯底101，在氮化鋁襯底101上制備的表面覆蓋率為30％的sinx掩模102，在sinx掩模102上制備的具有一定排列方向性和周期性的網(wǎng)狀四邊形sio2掩模103和在氮化鋁襯底101上、并透過102和103沿特定方向經(jīng)側(cè)向外延生長(zhǎng)和島狀物合并過程生長(zhǎng)獲得的非極性algan外延薄膜104。

如圖2所示，為本發(fā)明提供的雙重圖形結(jié)構(gòu)的俯視圖，上表層為具有一定排列方向性和周期性的網(wǎng)狀四邊形sio2掩模103，網(wǎng)狀四邊形sio2掩模103下的第二層為表面覆蓋率為30％的sinx掩模102，未被102和103所覆蓋的區(qū)域?yàn)槁冻龅姆菢O性氮化鋁襯底101，并被限制出現(xiàn)在第二層四邊形圖形結(jié)構(gòu)103的內(nèi)部。

非極性氮化鋁襯底101為非極性a面aln，厚度為400μm。

表面覆蓋率為30％的sinx掩模102，其刻蝕露出下層非極性氮化鋁襯底101部分的圖形為等腰三角形，三角形底邊邊長(zhǎng)為1μm，頂角角度在10°到70°范圍內(nèi)根據(jù)algan外延薄膜中的al組分調(diào)制，該等腰三角形圖形位于上層四邊形sio2掩模103內(nèi)，但并未被103所覆蓋，其周期長(zhǎng)度為3μm，厚度為0.3μm。

具有一定排列方向性和周期性的網(wǎng)狀四邊形sio2掩模103，四邊形的銳角角度與所述等腰三角形頂角保持一致。圖2中的方向1指向極性面[0001]方向，方向2指向非極性面方向，方向3指向極性面方向，四邊形掩模邊界寬度為0.5μm，周期長(zhǎng)度也是3μm，但厚度為0.2μm。

具有一定排列方向性和周期性的網(wǎng)狀四邊形圖形結(jié)構(gòu)103，其銳角頂角分別指向所生長(zhǎng)的非極性iii族氮化物側(cè)向外延生長(zhǎng)速度最快的方向1和與其正相反的方向3，而鈍角頂角則指向側(cè)向外延速度較快的方向2，其垂直于方向1并指向兩側(cè)。銳角θ的大小根據(jù)生長(zhǎng)的非極性iii族氮化物的種類可調(diào)，即其中，v1為沿方向1的側(cè)向外延生長(zhǎng)速度，v2為沿方向2的側(cè)向外延生長(zhǎng)速度。網(wǎng)狀四邊形圖形結(jié)構(gòu)103下的第二層為具有一定表面覆蓋率的插入層或掩模結(jié)構(gòu)102，未被102和103所覆蓋的區(qū)域?yàn)槁冻龅囊r底101，并被限制出現(xiàn)在第二層四邊形圖形結(jié)構(gòu)103的內(nèi)部。

上述雙重圖形結(jié)構(gòu)制備完成之后，可采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延(mocvd)或者分子束外延(mbe)設(shè)備，在氮化鋁襯底101上，透過102和103沿方向3經(jīng)側(cè)向外延生長(zhǎng)和島狀物合并過程生長(zhǎng)獲得al組分為y(0<y<1)的、表面平坦且晶體質(zhì)量較高的非極性alyga1-yn薄膜104。在此基礎(chǔ)上可繼續(xù)生長(zhǎng)n型和p型非極性iii族氮化物及其相關(guān)的量子阱、超晶格等微型結(jié)構(gòu)，為最終制備出高質(zhì)量的非極性氮化物半導(dǎo)體光電子器件打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

需著重說明的是，本實(shí)施例所提供的具有雙重圖形結(jié)構(gòu)的非極性algan外延薄膜及其生長(zhǎng)方法，其核心部分包括表面覆蓋率為30％的sinx掩模結(jié)構(gòu)102和在102上制備的具有一定排列方向性和周期性的網(wǎng)狀四邊形sio2掩模103。此部分是解決非極性algan外延生長(zhǎng)各向異性突出問題的關(guān)鍵。其主要作用在于觸發(fā)非極性algan在特定區(qū)域內(nèi)的側(cè)向外延，并抑制其沿通常生長(zhǎng)速度較快方向的生長(zhǎng)，促進(jìn)其沿通常生長(zhǎng)速度較慢方向的生長(zhǎng)，以此改善側(cè)向外延生長(zhǎng)形成的島狀物合并過程的不平衡性，即克服外延生長(zhǎng)的各向異性，可顯著提高非極性algan外延薄膜的表面平整度和晶體質(zhì)量。

采用該種新型結(jié)構(gòu)能夠觸發(fā)非極性iii族氮化物沿特定方向的側(cè)向外延生長(zhǎng)，形成島狀氮化物結(jié)構(gòu)，有利于大幅度提高外延薄膜的晶體質(zhì)量；不僅如此，采用本發(fā)明提供的新型結(jié)構(gòu)可以有效抑制非極性iii族氮化物外延薄膜在某些方向的生長(zhǎng)，而使其僅能沿某個(gè)特定的方向生長(zhǎng)，從而在結(jié)構(gòu)上解決非極性ⅲ族氮化物生長(zhǎng)各向異性突出的難題，有助于促進(jìn)非極性iii族氮化物側(cè)向外延生成的島狀物在后續(xù)生長(zhǎng)中的良好合并，同時(shí)有利于獲得平整的外延層表面，最終制備出高質(zhì)量的非極性ⅲ族氮化物外延材料和器件。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。