一种半极性AlN模板的制作方法

本发明特别涉及一种半极性aln模板，属于材料科学领域。

背景技术：

六方纤锌矿结构的aln及其合金的禁带覆盖了200～365nm的紫外光谱范围，是制备深紫外光电器件和高频大功率器件的理想材料。然而，aln基材料通常是沿着极性轴—c轴方向生长的，使得aln及其合金在[0001]方向具有很强的自发极化和压电极化。这种极化效应在氮化物外延层中会产生较高强度的内建电场，引起能带弯曲、倾斜，使电子和空穴在空间上分离，大大降低了aln基光电器件的发光效率。因此人们尝试通过各种手段降低极化电场改善发光器件性能。其中半极性材料由于其内建电场与生长轴方向并不平行，可以显著地减少极化效应，因此得到了广泛的关注。

目前质量最好的半极性aln材料是由c向aln厚膜中切下来的。然而，利用这种方法获得的aln材料的尺寸非常有限，这迫使研究人员开始尝试在蓝宝石、碳化硅等非c面的异质衬底上外延半极性aln材料，但是这种技术困难重重，且aln的结晶质量很差、位错密度很高，严重制约了aln基光电器件的效率。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种半极性aln模板，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种半极性aln模板，其具有半极性显露面，并且包含有孪晶结构或孪晶结构。

进一步的，所述的半极性aln模板包括：形成于aln基材显露面上的孪晶结构或孪晶结构，所述aln基材为[0001]取向的，且显露面为或以及，形成于所述孪晶结构或孪晶结构上的、取向的aln材料。

进一步的，所述aln基材形成于衬底上。

进一步的，所述衬底包括蓝宝石衬底，例如可优选为c面蓝宝石，但不限于此。

进一步的，所述衬底包括sic衬底。

进一步的，所述孪晶结构或孪晶结构与aln基材之间形成有锯齿状界面。

进一步的，所述aln基材的截面为等腰三角形，当所述三角形的底角为51°～71°时，在三角形的腰部形成aln孪晶结构。

进一步的，所述aln基材的截面为等腰三角形，当所述三角形的底角为22°～42°时，在三角形的腰部形成aln孪晶结构。

本发明实施例还提供了一种制备半极性aln模板的方法，其包括：于衬底上生长aln，并诱导产生aln孪晶结构或孪晶结构，使aln的生长取向转变为进而获得半极性aln模板。

在一些实施方案中，所述制备半极性aln模板的方法包括：

在衬底上生长形成[0001]取向的aln基材，并使所述aln基材的显露面为或

在所述aln基材上继续生长aln，并形成aln孪晶结构或aln孪晶结构，使aln的生长取向转变为

进一步的，所述aln基材的截面为等腰三角形，当所述三角形的底角约61°左右时，在三角形的腰部形成aln孪晶结构。

进一步的，所述aln基材的截面为等腰三角形，当所述三角形的底角约32°左右时，在三角形的腰部形成aln孪晶结构。

在一些实施方案中，所述制备半极性aln模板的方法包括：将c面蓝宝石衬底置于氢化物气相外延设备中，以hcl和nh3作反应气体、h2和n2为载气，设置生长温度为1200℃～1600℃，沉积形成厚度为300nm～3μm的[0001]取向的aln基材，并使所述aln基材的显露面为或

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

(1)本发明的半极性aln模板可直接选用c面蓝宝石或sic等作为衬底形成，而不需要r面蓝宝石，不仅可以减少aln外延层中的层错，且成本低廉，并具有较高质量。

(2)本发明的半极性aln模板的制备方法可以减少aln外延层中的层错，且通过在aln生长初期诱导产生或孪晶结构，均可以使aln的生长取向由[0001]转变为这使得生长窗口更为宽泛、生长条件更易控制，同时只需一步生长，无需改变生长条件，就能使后续的aln保持沿半极性方向生长，从而避免了二次污染，有利于获得高质量的半极性aln模板。

附图说明

图1a是本发明一实施例中所获aln厚膜的xrd2θ/ω扫描图；

图1b是本发明一实施例中所获aln厚膜的tem截面图；

图1c是图1b所示锯齿层的选区电子衍射图；

图1d和图1e分别是晶柱a、b的选区电子衍射图；

图2a是本发明一实施例中锯齿层和柱状层界面处的放大图；

图2b是本发明一实施例中锯齿层和柱状层左、右侧界面的选区电子衍射图；

图2c是图2b所示右侧界面的高分辨电子衍射图；

图2d是图2b所示左侧界面的高分辨电子衍射图；

图3是本发明一实施例中ecs(equilibriumcrystalshape)模型图；

图4a是本发明另一实施例中sic衬底上侧向外延生长的aln厚膜的xrd2θ/ω扫描图；

图4b是aln厚膜的tem截面像；

图4c-图4d分别为左侧界面的选区电子衍射和高分辨透射电子像；

图4e-图4f分别为右侧界面的选区电子衍射和高分辨电子衍射像；

图5a是aln厚膜的截面像；

图5b是aln厚膜的xrd2θ/ω扫描图；

图5c-图5d分别为左、右侧界面的选区电子衍射图；

图5e是三角形和晶柱间界面的高分辨电子衍射像；

图6a-图6b是分别通过孪晶实现半极性aln生长的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于下面所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明的一典型实施例提供的一种半极性aln模板的制备方法，包括：

(1)将2英寸的c面蓝宝石衬底放置于hvpe(氢化物气相外延)设备中，以hcl和nh3作反应气体、h2和n2为载气。

(2)设置生长温度为1200℃～1600℃,首先沉积300nm～3μm的[0001]取向的aln基材，该aln基材的显露面为或

(3)若上述aln基材的截面为等腰三角形，若三角形的底角为61°左右，在三角形的腰部形成aln孪晶结构；若三角形的底角为32°左右，在三角形的腰部形成aln孪晶结构。

(4)基于孪晶能够改变晶体生长取向的特性，根据几何关系，无论形成哪一种孪晶，aln的生长取向均可以转变为在此基础上继续生长就可以获得半极性aln模板。

请参阅图1a-图1d，本发明实施例中，在c向蓝宝石上生长的aln厚膜， 通过孪晶生长模式，生长取向由初始的[0001]转变成其中，图1a是所述aln厚膜的xrd2θ/ω扫描图，图1b是所述aln厚膜的tem截面图，可以看到aln厚膜包含锯齿层和柱状层。图1c是图1b所示锯齿层的选区电子衍射图。图1d和图1e分别是晶柱a、b的选区电子衍射图。

再请参阅图2a是本实施例中锯齿层和柱状层界面处的放大图。图2b是本实施例中锯齿层和柱状层左、右侧界面的选区电子衍射图，这两个界面均为孪晶界。图2c是图2b所示右侧界面的高分辨电子衍射像，说明此处为共格孪晶界。图2d是图2b所示左侧界面的高分辨电子衍射像，说明此处为非共格孪晶界。

在本发明中，导致晶体生长取向转变的关键点是孪晶界的形成。由于孪晶界是在显露面上形成的，因此生成第一层锯齿层是必要的。这个过程中，晶面的表面自由能与生长温度有关，例如，某个晶面的表面自由能如下：

其中γ(m,t)是单位面积的表面自由能，它是温度t和晶体取向m的函数。

请参阅图3示出了晶体生长随温度变化的演化过程。其中，对于在c面蓝宝石上生长的aln，当生长温度足够高时，(0001)晶面的表面自由能最低，因此成为显露面。当温度下降的时候，晶面的表面自由能会下降。若生长温度降低到一定程度，晶面的表面自由能会低于晶面。此时表明虽然晶粒仍沿[0001]方向生长，但是其显露面已不再是(0001)晶面。特别是，在本实施例中，当生长温度低于1390℃时，晶面取代(0001)晶面成为显露面。此样品的实际生长温度为1300℃，低于临界值1390℃。请参阅图3中a-d示出了本实施例中ecs(equilibriumcrystalshape)模型。该图3中，a示出了当生长温度足够高的时候，aln沿着[0001]方向生长，且显露面为(0001)晶面，b示出了当生长温度降低时，其他的晶面逐渐取代(0001)成为显露面，c示出了当温度低于1390℃时，晶面成为显露面，d示出了在显露面的基础上形成了孪晶界。

进而，若aln继续在显露面上生长，其c方向不再沿着z向。显然，若后续的晶体改变生长取向，势必会形成大角度晶界，而这就会显著增加晶体的能量。与普通晶界相比，孪晶界的能量明显更低。实际上，共格孪晶界的能量只有普通晶界能量的1/10，非共格孪晶界的能量是普通晶界能量的1/2。因此，在显露面上形成孪晶界可以使晶体的能量保持最小，从而使晶体最稳定。 在纤锌矿体系中可能的孪晶结构有和孪晶。显露面的存在为孪晶的形成提供了基础。优选的，在显露面上形成孪晶面，既可使晶体保持最低能量、维持稳定的结构，也满足现有的几何条件。

在本发明的另一实施例中，前述蓝宝石衬底亦可替换为sic衬底。请参阅图4a是本实施例中在sic衬底上侧向外延生长的aln厚膜的xrd2θ/ω扫描图，表明该样品同时包含(0001)和晶向。图4b示出了aln厚膜的tem截面像；图4c-图4d分别为左侧界面的选区电子衍射和高分辨透射电子像；图4e-图4f分别为右侧界面的选区电子衍射和高分辨电子衍射像，两个界面均为孪晶界。图5a是本实施例所获aln厚膜的截面图像。图5b是所述aln厚膜的xrd2θ/ω扫描图，表明该样品中同时含有(0001)和晶向。图5c-图5d分别为左、右侧界面的选区电子衍射图像，说明初始形成的是孪晶界。图5e是三角形和晶柱间界面的高分辨电子衍射像，进一步说明形成了共格孪晶界。

本发明提供的方法通过使aln产生孪晶结构，利用孪晶结构具有改变晶体生长取向的特性，参阅图6a-图6b所示分别是通过孪晶实现半极性aln生长的示意图。当aln中出现或孪晶结构以后，aln的生长取向自然地由[0001]转变为保持生长条件不变，后续既可以获得取向的半极性aln模板，又能够避免多步生长对样品造成的污染。并且，该生长过程无需昂贵的r面蓝宝石，而可直接选用c面蓝宝石成本低廉，有利于获得高质量的半极性aln模板。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，上面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于上面描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。并且，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。综上所述，应当理解，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出复数个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。