[发明专利]一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底

说明书

本发明公开了一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底，分别由第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层所组成；其中：所述第一衬底层为非（0001）面的蓝宝石衬底,且所述第一衬底层的表面和蓝宝石（0001）面的夹角大于30^o,所述第一衬底层上具有周期性的图形化结构。本发明的优点在于：通过在第一衬底层上制备周期性的具有特定晶面暴露的图形化结构，以此为基础外延生长出具有周期性高、低缺陷密度区域的第二衬底层，然后通过光刻制程选择性的在高缺陷密度区域上制备出相同周期性的第三衬底层，从而使用本发明的复合衬底生长氮化物外延层时,可以从复合衬底上的第二衬底层的低缺陷密度区域向上生长,得到高品质的氮化物外延层。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种适用于氮化物外延层生长的复合衬底。

背景技术

继上世纪80年代末三位日本科学家相继解决了氮化镓（GaN）材料的异质外延生长和p型掺杂难题之后，氮化镓基发光二极管开始呈现快速的发展，且已逐渐取代传统的白光照明而成为当今照明光源的首选。目前商业化应用的氮化镓基发光二极管外延层结构都是在（0001）面的氮化镓极性面上所实现（蓝宝石和硅衬底的晶面结构如图1所示），但在极性面上的极化效应会对氮化镓基发光二极管外延层结构中电子和空穴的辐射复合效率带来诸多负面影响。首先,极化效应导致能带弯曲形成的量子斯塔克效应（QCSE Effect），使发光效率降低。其次能带的弯曲加剧了大电流密度下的载流子溢流，从而加剧了在大电流密度下氮化镓基发光二极管的效率下降（Efficiency droop）。为了解决以上问题，科学家们开始着手研究非极性和半极性面的氮化镓生长。

其中，最容易实现的是在氮化镓同质衬底上外延生长非极性和半极性的氮化镓薄膜，美国加州大学圣芭芭拉分校在非极性和半极性面的氮化镓衬底上成功制备出了高发光效率的蓝光、绿光甚至黄光发光二极管，由于较小的极化效应，氮化镓基发光二极管有很小的效率下降（Efficiency droop）和波长蓝移（blue shift）的表现,从而证实了非极性和半极性面上生长的氮化镓基发光二极管外延层结构,在长波长和大电流密度下具有潜在的应用前景。但是目前氮化镓衬底的价格非常昂贵，且尺寸无法做大，无法实现商业化的应用。

若是使用传统的蓝宝石衬底进行非极性和半极性面氮化镓外延层生长，目前技术难以形成类似于（0001）面上的稳定平面生长，而是存在多个晶面的竞争生长，从而难以形成平滑完整的晶体表面，且生长出的氮化镓晶体质量较差（缺陷密度>1x10⁹ cm^-2，同时存在大量的堆垛层错）。后续通过进一步的研究发现在有特定晶面暴露的图形化蓝宝石衬底（Patterned Substrate）上的外延生长，可以优先在暴露的特定晶面上成核生长并延伸成长形成分离的子晶体，然后子晶体继续生长并通过界面结合而形成平整的晶体表面。在这一生长模式下，产生于特定晶面的异质界面处的晶体缺陷将会被弯曲并沿着平行于（0001）面的方向延伸，从而达到降低晶体中缺陷密度的目的，且同时消除了大部分的堆垛层错。以（1-102）面蓝宝石图形化衬底上生长（11-22）面半极性氮化镓外延层为例，其晶体生长模式和缺陷延伸模式如图2所示（Okada et al./ Applied Physics Express 2, 091001-091001–3 (2009).）。产生于特定晶面的异质界面处的晶体缺陷经过弯曲和延伸，在子晶体相互结合的界面形成高缺陷密度区域，而子晶体上的其他区域为低缺陷密度区域，最终的晶体表面由周期性的高、低缺陷密度区域所组成（如图3所示，其高缺陷密度区域的缺陷密度约为10⁹ cm^-2，低缺陷密度区域的缺陷密度约为10⁶ cm^-2，平均缺陷密度约为10⁸ cm^-2）。尽管这一生长方式将晶体的平均缺陷密度降低到10⁸ cm^-2的水准，但是仍然无法满足商业化应用所需。仍需要进一步通过晶体生长模式的调控实现更低的缺陷密度。

发明内容