[发明专利]一种在陶瓷衬底上生长单晶III族氮化物的方法

说明书

本发明公开了一种在陶瓷衬底上生长单晶III族氮化物的方法。先在陶瓷衬底表面沉积填充材料并研磨抛光获得光滑表面，和/或，在表面形成Al‑O化合物层或二维材料层；然后依次在表面形成氮化物层和二维材料层，再生长单晶III族氮化物。通过在陶瓷衬底上沉积填充材料并研磨和抛光实现光滑的表面；在表面形成Al‑O化合物层或二维材料层以优化下一步氮化物的c轴取向；后续的氮化物层为单晶III族氮化物的生长提供极化场，保证其生长取向，并促进生长过程的成核；二维材料层为III族氮化物层的生长提供有序的六方结构，保证生长出单晶六方结构的III族氮化物。该方法实现了在陶瓷衬底上外延生长单晶III族氮化物，提高了晶体质量和散热性能，并大幅降低了成本。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种在陶瓷衬底上生长单晶III族氮化物的方法。

背景技术

III族氮化物材料包括GaN、AlN、InN以及其组成的三元和四元化合物，在功率电子、射频电子以及光电器件方面具有重要应用。然而，由于III族氮化物材料同质衬底发展缓慢，大量III族氮化物材料与器件应用集中于异质外延，常用的异质外延衬底包括SiC衬底、Si衬底和蓝宝石衬底。其中，SiC衬底成本昂贵，Si衬底晶格失配与热失配大，蓝宝石衬底热导率差。

为了降低衬底成本，并同时兼顾衬底热导率和III族氮化物材料外延质量，陶瓷衬底逐渐受到重视。目前陶瓷AlN、陶瓷SiC等陶瓷材料通常因其优异的导热性能和机械强度，被用作电子器件的封装散热基板，相关产业成熟，能够提供低成本、大尺寸、质量好的陶瓷衬底用于外延材料生长。同时，陶瓷AlN、陶瓷SiC等陶瓷材料还具有与III族氮化物材料接近的热膨胀系数，可以减小外延生长的高低温过程中的热应力，从而减少外延材料中的缺陷，提高外延质量。

但是，陶瓷衬底表面并非长程有序，在陶瓷衬底上生长单晶III族氮化物材料难度很大。

发明内容

为了解决现有技术中在陶瓷衬底上生长单晶III族氮化物材料困难的问题，本发明旨在提供一种在陶瓷衬底上生长单晶III族氮化物的方法。

首先，针对陶瓷衬底表面并非长程有序的问题，本发明在陶瓷衬底表面引入具有六方对称性的二维材料来解决。其次，在二维材料表面外延生长单晶III族氮化物材料的研究表明，二维材料表面成核困难和外延III族氮化物材料面内取向不一致是导致外延质量变差的重要原因。对此，本发明在二维材料下方引入带有垂直方向极性的氮化物材料来解决这一问题。最后，陶瓷衬底表面通常粗糙度较大，无法达到外延的要求，可以引入填充材料来解决这一问题。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种在陶瓷衬底上生长单晶III族氮化物的方法，包括以下步骤：

1）选取陶瓷衬底；

2）在陶瓷衬底表面沉积填充材料，然后研磨抛光，获得光滑表面；和/或，在表面形成Al-O化合物层或二维材料层；

3）在表面形成氮化物层；

4）在表面形成二维材料层；

5）在表面生长单晶III族氮化物。

上述步骤1）选取的陶瓷衬底可以是AlN陶瓷、SiC陶瓷或其他陶瓷材料。

上述步骤2），可以是仅在陶瓷衬底表面沉积填充材料，研磨抛光获得光滑表面后进入步骤3）；也可以是直接在陶瓷衬底表面形成Al-O化合物层或二维材料层，然后进入步骤3）；还可以是先在陶瓷衬底表面沉积填充材料，研磨抛光后在表面形成Al-O化合物层或二维材料层，再进入步骤3）。具体处理方法视陶瓷衬底表面光滑程度和实际需求而定。

上述步骤2）在陶瓷衬底表面沉积的填充材料可以是AlN、SiC、GaN、SiO2、SiN、Al2O3或其他材料，优选为与衬底具有相同的元素组成的材料。