[发明专利]一种在硅衬底上生长非极性面AlN模板的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种在硅衬底上为获得高质量的AlGaN材料生长非极性面AlN模板的生长方法。

背景技术

GaN基三元合金材料AlGaN由于其直接宽带隙且连续可调(3.4eV～6.2eV)，以及优异的热稳定性和化学稳定性，是制作紫外光电器件的理想材料，在环境，医疗，信息通讯以及国防安全等领域具有巨大的应用前景。

由于缺乏同质衬底，严重影响了AlGaN基光电子材料与器件的效率。蓝宝石是目前生长AlGaN基光电子材料与器件的最常用衬底，但是蓝宝石所固有的缺陷，如异常坚硬、不导电、导热性能差、成本高昂等，制约了蓝宝石衬底的GaN基光电子器件的发展。与蓝宝石相比，Si衬底具有尺寸大，价格低，容易解理，导电性好等优点，而且更重要的是能够实现GaN基光电子器件的集成。

但是，与蓝宝石衬底相比，硅和AlGaN之间存在更大的晶格失配和热失配，这使得在硅衬底上直接生长AlGaN基本没有可能。利用两步生长法可以有效解决该问题。传统的两部生长法利用GaN作为缓冲层，但是在此基础上生长AlGaN，尤其是高Al组分的AlGaN的时候，由于AlGaN在GaN模板上受到张应力的作用，这使得生长在GaN模板上的AlGaN外延材料极易龟裂，而利用AlN作为外延生长AlGaN的模板，由于AlGaN受到压应力的作用则能有效解决该问题。因此，为获得高质量的AlGaN材料，必须采用AlN作为模板。

影响AlGaN基光电子材料与器件效率低下的原因除了缺乏同质衬底材料之外，极化电场的存在也是降低其效率的重要原因。生长在(0001)面上的氮化物内部存在很强的压电极化和自极化电场，从而影响载流子的有效注入，由此产生的Stark效应降低了发光器件的效率。非极性氮化物的制备是解决这一问题的有效途径。

毋庸置疑，在Si衬底上外延生长非极性面AlN模板将面临很大的挑战，主要是以下几点：首先Al原子在生长表面的迁移能力较差，这使得样品表面容易出现岛状生长，粗糙度较大，而且AlN在选择性外延生长时难以合并成表面平整均匀的薄膜，容易出现裂纹等问题。其次在外延生长非极性面AlN的过程中，Al极性方向和N极性方向与生长方向存在一定夹角，而且不同极性面的生长特性也存在巨大差异，容易形成高密度贯穿位错；最后常规的掩膜材料如SiO₂，SiN_x等由于Al能与之反应故不能用于非极性面AlN的选择性外延生长的掩模材料，所以适于非极性面AlN掩膜材料种类及制备方法的研究是必须要首先解决的问题。

到目前为止，利用选择性外延的方法已经成功在Si衬底上外延生长非极性面GaN。但是此非极性GaN模板不能用于生长非极性面AlGaN，因为在此模板上外延AlGaN，尤其是高Al组分的AlGaN会带来裂纹，表面不平整等问题。

发明内容

本发明为解决现有在硅衬底上生长的非极性面GaN模板不能用于生长非极性面AlGaN，尤其是在GaN模板上生长高Al组分AlGaN时模板表面存在裂纹且表面不平整的问题，提供一种在硅衬底上外延生长非极性面AlN模板的方法。

一种在硅衬底上生长非极性面AlN模板的方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、选择硅衬底；

步骤二、采用光刻方法在步骤一中选择的硅衬底上制备条形光刻胶掩膜图形；

步骤三、采用电子束蒸发的方法对步骤二制备的光刻胶掩膜图形蒸镀掩膜材料，然后采用Lift Off方法获得图形化掩膜图形；

步骤四、采用湿法腐蚀方法选择性腐蚀硅衬底，获得与硅表面成固定夹角的硅(111)面；

步骤五、采用MOCVD法在步骤四所述的硅表面生长AlN缓冲层；然后采用高温MOCVD法继续生长AlN模板，获得在硅衬底上长非极性面的AlN模板。

本发明的有益效果：本发明所述的方法通过在硅衬底上选择性外延生长AlN的方法，获得非极性面AlN模板，其中高温MOCVD法的采用，解决了Al原子迁移率低的问题，钨掩膜材料的选取解决了SiO₂，SiN等材料不能用于非极性面AlN的选择性外延生长的问题。在硅衬底上非极性面AlN模板的制备为生长低位错密度、表面无裂纹的非极性AlGaN，尤其是高Al组分AlGaN提供了解决方案，为提高AlGaN光电子器件的效率提供了途径。本发明方法简单，经济效益显著，应用前景广阔的优点。

附图说明

图1为本发明所述一种在硅衬底上生长非极性面AlN模板的方法流程图；