[发明专利]一种无裂纹AlN外延膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种无裂纹AlN外延膜及其制备方法，该方法的步骤包括：在蓝宝石衬底上外延生长AlN缓冲层；在AlN缓冲层上外延生长AlN一次外延层；对AlN一次外延层远离蓝宝石衬底一侧进行图形化处理；在AlN一次外延层进行图形化处理的一侧外延生长高温AlN层，得到无裂纹AlN外延膜；AlN一次外延层由第一AlN层和第二AlN层交替生长形成，第一AlN层的生长温度大于第二AlN层的生长温度，第一AlN层的V/III比小于第二AlN层的V/III比。本发明通过在AlN缓冲层和高温AlN层之间引入AlN一次外延层，并对AlN一次外延层进行图形化处理，不仅使高温AlN层的均匀性显著提高，还能够很好地释放生长过程中积累的热应力，防止AlN薄膜开裂。

技术领域

本发明涉及半导体光电领域，特别是一种无裂纹AlN外延膜及其制备方法。

背景技术

近年来，人们期望将这种高效的发光材料应用于紫外波段，以满足日益增长的紫外光源需求。紫外波段根据其生物效应通常可分为：长波紫外、中波紫外、短波紫外以及真空紫外。紫外线虽然不能被人类眼睛所感知，但其应用却非常广泛。长波紫外光源在医学治疗、紫外固化、紫外光刻、信息存储、植物照明等领域有着巨大的应用前景；而中波紫外及短波紫外则在杀菌消毒、水净化、生化探测、非视距通信等方面有着不可替代的作用。

目前深紫外LED发光效率普遍不超过5％，这是由于内量子效率低以及光提取效率低两方面因素共同造成的。光提取效率低是由高Al组分AlGaN材料发光主要是从侧面出射这个本质特性造成，而内量子效率低是因为高Al组分AlGaN材料晶体质量目前尚未达到理想水平，其位错密度大多是在109cm^-2量级。由于同质衬底的匮乏，III族氮化物材料通常是异质外延在蓝宝石衬底上，为了降低AlGaN材料的位错密度，提高其晶体质量，在生长AlGaN材料前需要首先在蓝宝石上生长一层二元AlN材料。一方面，二元AlN材料不存在三元AlGaN材料中的组分偏析问题，在高温下生长的AlN材料晶体质量更好；另一方面，AlGaN材料的晶格常数较AlN材料的大，AlGaN材料会受到来自于AlN材料的压应力，这样可以避免AlGaN材料外延过厚而开裂。因此，改善AlN外延层的晶体质量是提高深紫外LED发光效率的前提。

AlN材料由于同质衬底的缺失，通常采用蓝宝石作为AlN生长的衬底。然后AlN和蓝宝石直接存在很大的晶格失配和热失配，在升温生长过程中，AlN薄膜很容易出现表面开裂的问题，并同时保证AlN薄膜具有较好的均匀性，因此需要提出一种有效的AlN外延膜生长方法用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种无裂纹AlN外延膜及其制备方法，用于解决现有技术中难以同时解决AlN薄膜表面开裂和AlN薄膜均匀性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了第一解决方案为：一种无裂纹AlN外延膜的制备方法，其步骤包括：在蓝宝石衬底上外延生长AlN缓冲层；在AlN缓冲层上外延生长AlN一次外延层；对AlN一次外延层远离蓝宝石衬底一侧进行图形化处理；在AlN一次外延层进行图形化处理的一侧外延生长高温AlN层，得到无裂纹AlN外延膜；AlN一次外延层由第一AlN层和第二AlN层交替生长形成，第一AlN层的生长温度大于第二AlN层的生长温度，第一AlN层的V/III比小于第二AlN层的V/III比。

优选的，第一AlN层的生长条件为：生长温度为800～1400℃，氨气流量为0.1～1000sccm。

优选的，第一AlN层的厚度为5～500nm。

优选的，第二AlN层的生长条件为：生长温度为600～1000℃，氨气流量为1000～50000sccm。

优选的，第二AlN层的厚度为1～50nm。

优选的，AlN一次外延层中，第一AlN层和第二AlN层的交替周期数为1～100。