[发明专利]基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法

说明书

本公开提供一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，包括：步骤A：在Si衬底的表面利用氨源或氮气氮化一层Si₃N₄膜，该Si₃N₄膜的晶体取向为(001)方向；步骤B：在所述Si₃N₄膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；步骤C：在所述AlN buffer层上外延生长GaN膜；步骤D：在所述GaN膜的表面外延生长富In组分的氮化物薄膜。本公开提供的基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法能够制备出低成本的N极性面富In组分氮化物材料及相应的微电子与光电子器件。

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法。

背景技术

氮化物富In组分发光二极管(LED)由于具有能耗低、寿命长、无污染、抗恶劣环境能力强等特点，广泛应用于显示和照明等多个领域。

对于传统的富In组分GaN蓝绿LED来说，其发光的有源区基本结构是InGaN/GaN多量子阱。该结构的有源区存在诸多科学和技术问题有待解决。第一，富In组分InGaN/GaN量子阱中的压电极化电场问题。由于富In的InGaN的晶格常数大于GaN的晶格常数，在沿(001)方向生长的InGaN/GaN量子阱中，有源区中产生较强的沿(000-1)方向的压电极化场。极化电场的存在会使量子阱的能带发生倾斜，造成空穴向有源区的注入困难，使得多个量子井内电子与空穴在有源区的复合几率显著下降，量子阱的发光效率降低。以上问题的产生存在一个共同的原因，即富In的InGaN有源区势阱层和势垒层间的晶格失配所导致的强压电极化场致使能带沿生长方向发生弯曲，不利于空穴的注入。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，以缓解现有技术中的Si衬底的(111)表面获得的富In氮化物光电器件的量子井中的强极化电场的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于Si衬底的N极性面富In组分氮化物材料生长方法，包括：步骤A：在Si衬底的表面利用氨源或氮气氮化一层Si₃N₄膜，该Si₃N₄膜的晶体取向为(001)方向；步骤B：在所述Si₃N₄膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；步骤C：在所述AlNbuffer层上外延生长GaN膜；步骤D：在所述GaN膜的表面外延生长富In组分的氮化物薄膜。

在本公开的一些实施例中，所述Si衬底选取(111)晶面作为其生长表面，所述Si衬底的厚度介于100微米至2000微米之间。

在本公开的一些实施例中，所述Si₃N₄膜的厚度介于1nm至200nm之间；其中，所述Si₃N₄膜在整个所述Si衬底表面是连续的二维薄膜；或所述Si₃N₄膜是以规则形状排列的非连续二维薄膜；或所述Si₃N₄膜是连续的或非连续的三维结构的薄膜。

在本公开的一些实施例中，所述Si₃N₄膜是多晶或者非晶的材料。

在本公开的一些实施例中，其中：所述Si₃N₄膜的生长方法为：利用N₂或者裂解的氨气中的氮原子与所述Si衬底表面的Si原子进行化学反应形成薄膜；所述Si₃N₄膜的生长设备包括MBE、MOCVD、HVPE或CVD。