[发明专利]一种AlyInxGa1‑x‑yN薄膜的外延结构及生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种Al_yIn_xGa_1-x-yN薄膜的外延结构及生长方法。

背景技术

Al_yIn_xGa_1-x-yN材料体系作为一种重要的半导体材料，被广泛地应用于制作绿、蓝和紫外波段的发光器件和探测器，以及高功率、高温度的射频电子器件。由于缺乏晶格匹配的衬底，Al_yIn_xGa_1-x-yN材料通常是在异质衬底上外延生长获得的。

常用的异质衬底主要为蓝宝石、碳化硅和硅。这些异质衬底材料与Al_yIn_xGa_1-x-yN材料之间存在晶格失配及热膨胀系数差异，使在其上生长的Al_yIn_xGa_1-x-yN薄膜承受巨大的双轴应力。这种双轴应力对Al_yIn_xGa_1-x-yN材料及器件将产生下列不利影响：（1）导致外延片弯曲、变形；（2）导致外延薄膜破碎或龟裂；（3）在Al_yIn_xGa_1-x-yN材料内诱导产生大量的位错缺陷，从而影响各种器件的光电性能及可靠性；（4）Al_yIn_xGa_1-x-yN材料体系存在极强的压电极化效应，因此应力将引起压电场，压电场的存在会降低InGaN/GaN多量子阱的内量子效率；（5）应力影响InGaN层中In的掺入。

因此，开发出一种能弛豫应力的材料结构及生长工艺是非常必要的。目前，为了释放Al_yIn_xGa_1-x-yN外延薄膜所受的应力，很多常见的外延技术方法被使用；如：侧向外延法、Al组分渐变AlGaN缓冲层技术以及图形衬底技术等。这些技术方法虽能在一定程度上缓解外延薄膜所受应力，但是也存在某些不足之处。Al组分渐变AlGaN缓冲层技术需要耗费数个小时的时间来生长AlGaN缓冲层，不利于产业化的成本控制。侧向外延法和图形衬底技术，需要在生长前先对衬底进行加工处理，工序较为复杂。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种Al_yIn_xGa_1-x-yN薄膜的外延结构，该外延结构在衬底与外延材料之间的缓冲层中设计了大量的空腔，这种空腔有两个作用：（1）增加了薄膜柔性，为应力的弛豫提供了变形空间，可以释放Al_yIn_xGa_1-x-yN薄膜所受到的来自衬底的应力；（2）对于发光器件，空腔增强了界面反射，故可提高光的提取效率。

本发明的第二个目的在于提供一种Al_yIn_xGa_1-x-yN薄膜的外延结构的生长方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种Al_yIn_xGa_1-x-yN薄膜的外延结构，自下而上依次包括：衬底、AlN缓冲层、In_xGa_1-xN（0≤x≤1）缓冲层、Al_yGa_1-yN（0≤y≤1）掩模层和Al_yIn_xGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1）主层，其特征在于：在所述Al_yGa_1-yN掩模层中、In_xGa_1-xN（0≤x≤1）缓冲层和Al_yIn_xGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1）主层之间，设有呈间隔排布、竖向的微孔，在每个微孔的下对应位置的In_xGa_1-xN缓冲层中设有一个空腔，In_xGa_1-xN缓冲层为蜂窝状结构。

所述AlN缓冲层的厚度为50～200nm。

所述In_xGa_1-xN（0≤x≤1）缓冲层的厚度为100～800nm。