[发明专利]Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法。

背景技术

Ⅲ族氮化物(包括GaN、InN、AlN及其多元合金)半导体被誉为第三代半导体材料，具有禁带宽度宽、热导率高、耐腐蚀等优良的物理化学性能，在光电器件和微电子器件等方面具有广泛应用前景。但是由于缺乏同质衬底材料，Ⅲ族氮化物一般生长在蓝宝石、SiC和Si衬底上，晶格失配和热失配导致的外延材料位错密度比较高，从而阻碍了相关器件性能的提高和应用。

生长Ⅲ族氮化物的方法有很多种，一般是在衬底材料上利用外延生长的方法制备Ⅲ族氮化物外延层，常见的外延生长方法包括金属有机物气相外延法(MOCVD)、氢化物气相外延法(HVPE)以及分子束外延(MBE)等。衬底材料与外延层构成模板材料，当外延层中存在Al和N元素时，则外延层的生长温度较高，一般在1200℃以上，这是由于Al原子与N原子之间的键能很强，虽然MOCVD法和HVPE法都能够实现高温条件(大于1200℃)下的外延层生长，但其生长时的侧向生长能力弱，较难实现缺陷密度的降低和应力的释放。

对于缺陷密度而言，为了满足器件制备的要求，一般要求Ⅲ族氮化物中的缺陷密度小于10⁹cm^-2。在应力控制方面，当外延层中存在Al和N元素时，在衬底材料上直接生长Ⅲ族氮化物，厚度达到1μm以上时，就会产生裂纹。即使利用目前广泛使用的侧向外延生长技术，当厚度超过3μm时，也会产生裂纹。

综上，当前依然缺乏一种合适的Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板的制备方法，既能有效的将Ⅲ族氮化物中的缺陷密度降低到10⁹cm^-2以下，又能避免裂纹的产生，还具备生长工艺简单，满足批量生产的要求。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法，有效地降低Ⅲ族氮化物中的缺陷密度，避免裂纹的产生，且生长工艺简单。

本发明提出了一种Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板，包括衬底层和外延层，所述外延层内存在纳米级的孔洞，所述外延层的材料为Ⅲ族氮化物。

进一步的，所述孔洞以下的外延层中含有Al元素。

进一步的，所述孔洞呈一个或多个层面分布于所述外延层内。

进一步的，任一所述孔洞层面距离衬底层和外延层界面的距离的偏差值小于500nm。

进一步的，所述孔洞的孔径为10-300nm。

进一步的，所述衬底层的材料为蓝宝石、Si、金刚石、SiC中的一种。

本发明还提出了一种Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板的制备方法，包括以下步骤：

(1)在衬底层上沉积一层含有Al元素的Ⅲ族氮化物单晶薄膜层；

(2)对所述步骤(1)中的Ⅲ族氮化物单晶薄膜层进行退火处理；

(3)退火处理后，继续沉积Ⅲ族氮化物。

进一步的，所述退火处理时使用的刻蚀气体为氢气，或是氢气和辅助气体的混合气体，所述辅助气体包括氯气和/或氯化氢气体，所述氢气的比例为50-90％，所述辅助气体的比例为0.1-10％。

进一步的，所述步骤(2)中的退火温度为1400-1800℃，退火时间为1-120min。

进一步的，所述步骤(1)中的沉积温度为400-1600℃，所述步骤(3)中的沉积温度为1200-1600℃。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：外延层中纳米级空洞的存在，降低了复合模板的缺陷密度，缓解了应力，且工艺方法简单，易于实现。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下为本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例一中复合模板的结构示意图；

图2是本发明实施例一中样品表面的扫描电镜图；

图3是本发明实施例一中样品纵截面的扫描电镜图；

图4是本发明实施例一中样品的XRD图；

图5是本发明实施例一中样品的另一XRD图；

图6是本发明实施例二中样品表面的扫描电镜图；

图7是本发明实施例二中样品纵截面的扫描电镜图；

图8是本发明实施例二中样品的XRD图；