[发明专利]一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法

说明书

本发明公开了一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法，其结构包括r面图形化蓝宝石衬底、蓝宝石图形、掩膜层和AlN覆盖层，蓝宝石图形是r面图形化蓝宝石衬底的一部分，为非对称的圆锥或棱锥结构，即朝向[1101]晶向倾斜，该结构可从而有效解决非极性III族氮化物外延生长过程中沿不同方向生长速率不同而导致晶体质量难以提高的问题。同时，AlN覆盖层是蓝宝石衬底在NH₃氛围下高温分解的同时与NH₃直接反应生成的。本发明提供的复合衬底不仅可以有效减少III族氮化物在外延生长过程中O杂质的并入，并能在不消耗Al源的前提下，在蓝宝石衬底表面获得致密的高质量非极性AlN覆盖层，对在其上生长高质量非极性III族氮化物及相关器件具有重要意义。

所属领域

本发明属于非极性氮化物半导体材料领域，具体涉及一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法。

背景技术

III族氮化物材料为继第一代半导体Si、Ge和第二代半导体GaAs、InP之后兴起的第三代半导体材料，包括GaN、InN、AlN及其三元合金InGaN、AlGaN、AlInN和四元合金AlInGaN。因III族氮化物材料的禁带宽度能够在0.7-6.2eV之间连续可调，可覆盖从红外到紫外光谱范围，且具有高击穿电压、高电子迁移率、高热导率、耐高温、耐酸碱和抗辐射等优点，所以被广泛地应用于高压、高频、高温和大功率光电子器件等领域。

目前III族氮化物的研究主要集中在(0001)c面取向的极性材料，而极性III族氮化物材料内部由于存在MV/cm量级的强大自发极化电场和由晶格不匹配引发的压电极化电场，造成III族氮化物基量子阱的能带发生弯曲，导致电子和空穴的波函数在空间上发生分离，从而使得电子与空穴的复合效率或者内量子效率严重下降，此即所谓的量子局限斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect)。而对于III族氮化物材料的m面和a面这两个非极性面，其生长方向不存在极化电场，可完全消除量子局限斯塔克效应的影响，因此，m面或a面取向的非极性III族氮化物材料十分有利于制备高发光效率和高亮度的发光二极管。然而，非极性III族氮化物在外延生长时面内生长速率存在很强的各向异性。如图2所示，非极性a面III族氮化物外延生长时沿[0001]方向的生长速率远较其它晶向较快，导致获得的非极性a面III族氮化物晶体质量存在强烈的各向异性，这不仅会使材料的表面形貌变得粗糙，还会使得材料中的缺陷密度比对应的极性氮化物材料高出2个数量级以上，因而严重影响基于非极性氮化物材料制备的相关光电子器件的性能。

对于外延生长高质量的III族氮化物薄膜，衬底的选择也极其重要。蓝宝石因其性质稳定、价格低廉、器件工艺成熟等特点，是目前III族氮化物材料外延生长时最常用的衬底材料。但由于III族氮化物材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，所以导致很难生长出低位错密度的高质量III族氮化物半导体材料。

有鉴于此，本发明提供一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法，以抑制非极性III族氮化物外延生长速率和晶体质量的各向异性，降低材料中的缺陷密度，提高非极性III氮化物的晶体质量，从而最终提高相关光电子器件的性能。

发明内容

为克服上述生长非极性III族氮化物所面临的难题，本发明提供一种非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底及其制备方法。采用本发明提供的复合衬底进行非极性a面III族氮化物材料的外延生长，可以从衬底结构上有效解决沿[0001]方向生长速率过快导致的材料面内外延生长存在各向异性的难题。不仅如此，可无需传统外延制备条件下金属源TMA提供Al源的前提下，由r面蓝宝石在高温下分解，使唯一成分为Al₂O₃的蓝宝石在分解的同时可提供Al原子，与NH₃直接反应生成致密的AlN薄膜，同时还可减少外延生长时来自蓝宝石中O杂质的并入。因此，本发明提供的高质量非极性图形化AlN/蓝宝石复合衬底，可为在其上生长表面形貌平整的非极性氮化物外延层薄膜，最终制备出高质量的非极性III族氮化物外延材料和相关器件奠定坚实的基础。