[发明专利]基于SiC图形衬底的极性c面GaN薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于SiC图形衬底的极性c面GaN薄膜及制备方法，主要解决现有GaN薄膜位错密度高、晶体质量低的问题。其包括：SiC衬底层(1)、GaN成核层(3)和c面GaN层(4)，其中SiC图形衬底表面设有按规则排列且间隔均匀的圆锥状图案，该圆锥状图案上覆盖有SiN_x层(2)，衬底其余区域露出；GaN成核层(3)分布于锥状图案之间；c面GaN层(4)位于GaN成核层(3)和SiN_x层(2)之上。本发明降低了GaN薄膜的位错密度，提高了器件的性能，可用于制作极性c面GaN基的光电及电子器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种极性c面GaN薄膜，可用于制作蓝绿光、微波功率以及电力电子器件。

技术背景

以GaN为代表的Ⅲ-Ⅴ族宽带隙氮化物半导体材料是制造发光二极管，激光二极管，微波功率器件以及电力电子器件的重要半导体材料。特别是InGaN材料体系在蓝光发光二极管上取得了巨大成功，2014年中村修二、天野浩、赤崎勇这三人因在蓝光发光二极管的巨大贡献获得了诺贝尔物理学奖。

尽管GaN基半导体器件取得了如此巨大的成功，但是目前普遍采用的异质外延GaN薄膜中约10⁸cm^-2的高位错密度限制了GaN基发光二极管器件性能的进一步提升。这是因为材料中的位错被认为是非辐射复合中心，材料中的非平衡载流子难以避免地在位错处复合且不会产生光子出射，大大降低了发光效率。因此为改善器件性能，进一步降低GaN外延薄膜中的位错密度是十分必要的。

目前广泛采用基于SiC衬底生长GaN的方法是在SiC平面衬底上直接外延生长极性c面GaN薄膜，或者是基于SiC图形衬底上直接外延生长极性c面GaN薄膜。基于图形衬底外延生长得到的GaN薄膜虽相比SiC平面衬底位错密度有所降低，但其位错密度依然较高，限制了高性能器件的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于SiC图形衬底结合SiN_x掩膜的GaN薄膜及其制备方法，以降低GaN外延层中的位错密度，提高GaN外延层的晶体质量。

实现本发明目的的技术思路是：利用GaN层不能在SiN_x上成核的特点，通过光刻工艺使SiN_x仅仅存在于SiC图形衬底上的锥状图形之上。通过抑制GaN在锥状图形上的成核生长，使GaN仅在图形间隙处生长，引入横向外延生长过程，利用横向外延过程降低位错密度的特征改善GaN外延层的晶体质量。

为实现上述目的，本发明基于SiC图形衬底的GaN薄膜，包括：SiC衬底层、GaN成核层和c面GaN层，其特征在于：

所述SiC图形衬底层的表面设有规则排列的圆锥状图形，该锥状图形上覆盖有SiN_x层，衬底其余区域露出；

所述GaN成核层分布于锥状图案之间；

所述c面GaN层位于GaN成核层和SiN_x层之上。

进一步，其特征在于：SiN_x层的厚度为10-20nm。

进一步，其特征在于：GaN成核层的厚度为10-90nm。

进一步，其特征在于：c面GaN层的厚度为1000-3000nm。

为实现上述目的，本发明基于SiC图形衬底的极性c面GaN薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将SiC图形衬底依次放入HF酸、丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水超声清洗5min，最后用氮气吹干；

2)将清洗后的SiC图形衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，在SiC图形衬底上淀积10-20nm的SiN_x；