极性控制方法、氮化物薄膜制备方法和氮化物薄膜与流程

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种极性控制方法、氮化物薄膜制备方法和氮化物薄膜。

背景技术：

有闪锌矿结构的三族氮化物半导体材料由于在沿[0001]方向缺乏反演对称性，因而表现出极性，沿[0001]极化方向称之为金属极性，沿[000-1]方向称之为氮极性。极性是三族氮化物半导体材料(如aln，gan，inn等)重要的性质，对材料生长和器件性能具有重要影响。传统基于氮化镓的电子和光电器件均是金属极性的，因为高质量的金属极性的材料生长较为容易，极性也容易被控制。氮极性氮化物半导体薄膜及其器件，由于具有与金属极性相反的极化电场，应用于高电子迁移率晶体管中可为器件带来更低的接触电阻、更高的耐压能力、更快的开关频率，因而越来越受到关注。

相较于金属极性薄膜生长，采用金属有机物气相外延或者分子束外延在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上生长高质量的氮极性三族氮化物薄膜及器件结构一直存在一些挑战，其中之一就是氮极性的控制。如何实现对氮极性的控制是值得研究的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种极性控制方法、氮化物薄膜制备方法和氮化物薄膜，以解决上述问题。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，实施例提供一种极性控制方法，所述方法包括：

在单晶体衬底上生长具有反演对称中心的界面层，所述界面层用于提供氮极性三族氮化物薄膜生长表面，其中，所述单晶体衬底在垂直方向上的原子具有六方密堆排布结构。

在可选的实施方式中，所述单晶体衬底为硅衬底。

在可选的实施方式中，所述单晶体衬底为制备有具有金属极性的三族氮化物的单晶体衬底。

在可选的实施方式中，所述在单晶体衬底上生长具有反演对称中心的界面层的步骤包括：

基于表面氧化工艺法，在所述单晶体衬底上生成具有反演对称中心的界面层，其中，所述界面层为具有氧极性表面的金属氧化物薄膜。

在可选的实施方式中，所述在单晶体衬底上生长具有反演对称中心的界面层的步骤包括：

基于金属有机物气相外延法，或者基于分子束外延的方法，通入金属源以及氮源，在所述单晶体衬底上沉积具有反演对称中心的界面层；

第二方面，实施例提供一种氮化物薄膜制备方法，采用前述实施方式任意一项所述的极性控制方法生成界面层，所述界面层用于提供氮极性表面。

在可选的实施方式中，所述方法还包括：

基于气相外延法在所述界面层上生长具有氮极性的三族氮化物薄膜。

在可选的实施方式中，所述基于气相外延法在所述界面层上生长具有氮极性的三族氮化物薄膜的步骤包括：

在所述界面层上生长氮极性保护层，以保护所述界面层不被分解；

基于气相外延法在所述氮极性保护层上生长的三族氮化物薄膜。

在可选的实施方式中，所述氮极性保护层与所述界面层的生长温度相同。

第三方面，实施例提供一种氮化物薄膜，采用前述实施方式任意一项所述的氮化物薄膜制备方法制作形成。

本申请实施例提供了一种极性控制方法、氮化物薄膜制备方法和氮化物薄膜，通过在单晶体衬底上生长具有反演对称中心的界面层，从而实现对氮极性的有效控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的单晶体衬底的结构示意图；

图2为本申请实施例中在单晶体衬底上生长界面层后的结构示意图；

图3为本申请实施例中在界面层上生长氮极性层后的结构示意图；

图4为本申请实施例中提供的氮化物薄膜制备方法的子步骤流程图；

图5为本申请实施例中在界面层上生长氮极性层后的结构示意图；

图6为本申请实施例中在氮极性保护层上生长氮极性层后的结构示意图。

图标：1-单晶体衬底；2-界面层；3-三族氮化物薄膜；4-氮极性保护层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

目前，氮极性薄膜的生长通常有以下三种方法:

一是在衬底上直接生长氮极性薄膜，例如在蓝宝石衬底表面通过表面氮化工艺生长氮极性氮化镓，在sic衬底的si面生长金属极性薄膜，在c面生长氮极性薄膜等。但在硅衬底上目前还较难以直接生长氮极性的薄膜。

二是采用极性反向技术：即先在衬底上生长一层金属极性的薄膜，再通过重掺杂镁的方法，即在生长三族氮化物半导体单晶薄膜的过程中，掺入高浓度的镁原子(通常大于10²⁰/cm³)，从而引入大量反向极性畴区，实现氮极性薄膜的生长。这种方法的缺点在于，在金属极性面和氮极性面间存在一定厚度的极性过度层，过度层的厚度通常在20nm–200nm间(取决于掺杂浓度和温度)，在某些应用中，此过度层将影响器件的能带结构，或者影响到电子/空穴在界面的迁移。

第三种方法是衬底剥离技术：即先在衬底上生长出金属极性的薄膜结构后，与另一片支撑衬底键合，然后去除外延衬底，原来的金属极性薄膜结构被倒置过来，从而暴露出氮极性面。这种方法工艺复杂、重复性低、成本较高，不被普遍采用。

由此，如何实现对氮极性的控制是值得研究的问题。

基于上述发现，本申请实施例提供了一种极性控制方法，该极性控制方法通过在单晶体衬底上生长一层具有反演对称中心的界面层，为生长氮化物薄膜提供氮极性表面，从而实现对氮极性的控制。下面对上述方法进行详细阐述。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的单晶体衬底1的结构示意图。请结合参阅图2，本实施例提供了一种极性控制方法，所述方法包括：

在单晶体衬底1上生成具有反演对称中心的界面层2，所述界面层2用于提供氮极性三族氮化物薄膜生长表面，其中，所述单晶体衬底1在垂直方向上的原子具有六方密堆排布结构。

在所述单晶体衬底1上生成界面层2后，单晶体衬底1与界面层2的结构示意图，如图2所示。

其中，六方密堆排布结构是等径球的一种最紧密堆积方式，球体按ababab……层序堆积，将这些圆球的球心联接起来，形成六方底心格子。即，六方密堆排布结构的晶胞中包含六个原子。本申请实施例中采用六方密堆排布结构用于提供六方原子结构的表面，以便于生长具有反演对称中心的界面层2，实现氮极性的控制。

进一步地，由于在金属极性的氮化物单晶衬底上，具有反演对称中心的界面层可实现从金属极性到氮极性的反向，因此，本申请实施例中，生长具有反演对称中心的所述界面层2，以便于进一步实现氮极性三族氮化物薄膜的生长控制。

作为一种可选的实施方式，所述单晶体衬底1可以为制备有具有金属极性的三族氮化物的单晶体衬底1或具有金属极性的三族氮化物薄膜。

当所述单晶体衬底1为制备有具有金属极性的三族氮化物的单晶体衬底1或具有金属极性的三族氮化物薄膜时，可通过如下方法在单晶体衬底1上生成具有反演对称中心的界面层2。

基于表面氧化工艺法，在所述单晶体衬底1上生成具有反演对称中心的界面层2，其中，所述界面层2为具有氧极性表面的金属氧化物薄膜。

可选地，所述表面氧化工艺法可以是热氧化法，在含氧气氛和高温(600℃～1200℃)条件下，在表面生长金属氧化物薄膜。其具体原理可参考现有技术，在此不做赘述。

在一种实现方式中，所述表面氧化工艺法还可以是氧等离子体表面处理法。等离子，即物质的第四态，是由部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气状物质。这种电离气体是由原子、分子、原子团、离子、电子组成。其作用于物体表面可实现物体的等离子表面涂覆镀膜。

在一种实现方式中，所述表面氧化工艺也可以是在高温下在反应腔室内通入含氧气体以及含金属源充分反应，从而在所述单晶体衬底1表面生长一层金属氧化物薄膜，例如ga2o3，该氧化物薄层具有氧极性表面，即上述界面层2。

如此，可在具有金属极性的单晶体衬底1上，将金属极性迅速反向为氮极性，而避免如现有技术般，采用镁的重掺杂技术实现极性反向过程时存在一层很厚的极性过度层的问题。如此，实现了氮极性控制，从而提高了器件的性能。

作为另一种可选的实施方式，所述单晶体衬底1可以为硅衬底。

当所述单晶体衬底1为硅衬底时，一方面可通过上述表面氧化工艺法，在所述单晶体衬底1上生成具有反演对称中心的界面层2。另一方面，还可以基于金属有机物气相外延法，或者基于分子束外延法，通入金属源以及氮源，在所述单晶体衬底1上沉积具有反演对称中心的界面层2。

示例性地，可在设备中通过通入含镁的金属有机物气源，例如cp2mg，cp2zn和含氮的气源，例如nh3或n2，在600℃-900℃的高温下进行化学反应，在硅衬底的(111)晶面上生成mg3n2或zn3n2沉积在所述单晶体衬底1上，形成上述界面层2。

如此，可在硅衬底上直接生长出氮极性三族氮化物薄膜或氮极性三族氮化物器件，而不需要像现有技术中先生长金属极性的薄膜，再通过镁的重掺杂技术将极性反向为氮极性那样复杂，从而实现了高效的氮极性控制。

综上可知，本申请实施例提供的极性控制方法，通过在垂直方向上的原子具有六方密堆排布结构的单晶体衬底1上生长具有反演对称中心的界面层2，从而实现了对氮极性的有效控制。

请结合参阅图3，本申请实施例还提供了一种氮化物薄膜制备方法，采用前述的极性控制方法生长界面层2，所述界面层2用于提供氮极性表面。

进一步地，所述方法还包括：

基于气相外延法在所述界面层2上生长具有氮极性的三族氮化物薄膜3。

图3是采用上述方法在所述界面层2上制备三族氮化物薄膜3后的结构示意图。

作为一种实施方式，可直接在所述界面层2上生长具有氮极性的三族氮化物薄膜3，从而制得氮化物薄膜。

由于界面层2的厚度较薄，在材料生长过程中容易分解脱附表面，使得在所述界面层2生长的三族氮化物薄膜3具有氮极性和金属极性的混合极性。

因此，进一步地，为了避免所述界面层2在生长具有氮极性的三族氮化物薄膜3，制备氮化物薄膜之前被分解，作为另一种实施方式，请结合参阅图4和图5，还可通过步骤s21-s22，实现生长具有氮极性的三族氮化物薄膜3，完成氮化物薄膜的制备。

s21，在所述界面层2上生长氮极性保护层4，以保护所述界面层2不被分解。

s22，基于气相外延法在所述氮极性保护层4上生长具有氮极性的三族氮化物薄膜3。

请结合参阅图5与图6，图5是采用上述步骤s21在界面层上生长氮极性保护层后的结构示意图。图6是采用上述步骤s21-s22在氮极性保护层4上生长具有氮极性的三族氮化物薄膜3后的结构示意图。

其中，所述氮极性保护层4与所述界面层2的生长温度相同，即，在相同的温度下，在制备所述界面层2后立即在所述界面层2上生长一层氮极性保护层4，接着变化条件到所述三族氮化物薄膜3所需的生长温度，最后在所述氮极性保护层4上生长具有氮极性的所述三族氮化物薄膜3，从而制得氮化物薄膜。

如此，可避免所述界面层2分解，从而有效控制极性和提高制备出的所述氮化物薄膜的质量。

其中，所述氮极性保护层4可以是任意一种三族氮化物，例如，gan、inn、aln、ingan或alingan。

进一步地，上述气相外延法可以是氢化物气相外延法(halide-vpe，hvpe)。以生成gan薄膜为例，本申请实施例中可以以gacl为镓源，nh3为n源，在1000℃左右在所述界面层2上或氮极性保护层4上可以快速生长出质量极好的gan薄膜。

其中，所述氮极性保护层4也可以是任意一种三族氮化物，例如，gan、inn、aln、ingan或alingan。

进一步地，上述生长三族氮化物薄膜3或者氮极性保护层4的方法还可以是金属有机化学气相沉积法(mocvd)。mocvd是以物质从气相向固相转移为主的外延生长过程，含外延膜成分的气体被气相输运到加热衬底或外延表面上，通过气体分子热分解、扩散以及在衬底附近或外延的表面上的化学反应，并按一定的晶体结构排列形成外延膜或者沉积层。这种生长技术一般以三族金属有机物作为三族源，以nh3作为n源，在高温下(通常＞1000℃)进行三族氮化物的生长。

进一步地，上述生长氮化物薄膜或者氮极性保护层4的方法还可以为其他，例如，还可以是分子束外延法(mbe)，在真空中，构成外延膜的一种或多种原子，以原子、原子束或分子束形式像流星雨般地落到所述界面层2或者氮极性保护层4上，其中的一部分经过物理-化学过程，在该面上按一定的结构有序排列，形成晶体薄膜。

本申请实施例还提供了一种氮化物薄膜的制备方法，通过采用上述极性控制方法生成界面层2，并进一步在界面层2上直接生长氮极性三族氮化物薄膜3。或者，采用上述极性控制方法生成界面层2，并进一步在界面层2上生长一层氮化物保护层，进而在所述氮极性保护层4上生长具有氮极性是三族氮化物薄膜3。如此，通过控制氮极性，快速制得具有氮极性的三族氮化物薄膜。

本实施例也提供了一种氮化物薄膜，采用上述的氮化物薄膜制备方法制作形成。所述氮化物薄膜的制备方法可参照上述对氮化物薄膜的具体阐述，在此不做赘述。由此，通过控制氮极性，从而快速制得高质量的氮化物薄膜。

进一步地，本申请实施例还提供了一种半导体器件，采用上述氮化物薄膜制得。

其中，所述半导体器件可以是由上述氮化物薄膜制成的发光二极管(lightemittingdiode，led)，因为目前得不到轻便而又经济高效的可见光单色光源，尤其是激光光源，所以对于可见光和半导体激光二极管(laserdiodes，lds)有一个很高的需求。示例性的，把基于上述氮化物薄膜制成的红、绿、蓝发光二极管组合起来，可以得到清晰的全彩色显示。目前利用超高亮度的led已经可以制备最大亮度达500cd/m白色平板光源，成为新一代的照明光源，其耗电量仅相当于相同亮度的白炽灯(寿命为6～12个月)的10％～20％，而其寿命为5～10个月。

所述半导体器件还可以是紫外光光电探测器，传统的紫外光-可见光光电探测器，包括光阴极和固态探测器，例如si和sic探测器，已经提供了很好的性能。然而，基于三族氮化物(即上述氮化物薄膜)的光电探测器提供的一系列优越性能大大超过了传统的uv(ultraviolet，紫外光)以及可见光光电探测器。主要原因包括：它们的直接带隙结构而带来的高量子效率；实现异质结的能力；低表面重组率；固有的白光盲区；通过调整合金组份可以获得一个合适的陡峭的截止波长；以及在苛刻的物理和化学环境中的高稳定性。上述性能使得基于三族氮化物的uv以及可见光光电探测器可以应用于很多领域。主要包括火焰传感、臭氧监测、污染监测、水银灯消毒监控、激光探测器、太空飞船的监视和识别、空间通讯、定位焊接以及引擎和燃烧室的监控等应用。

可以理解的是，采用上述氮化物薄膜还可以制得其他半导体器件，例如，激光二极管(laserdiodes，ld)，如，以蓝宝石为衬底或sic为衬底开发三族氮化物蓝光ld。蓝光ld可增大信息的光存储密度，可应用于在深海通信，材料加工及激光打印。其具体原理可参照现有技术，在此不做赘述。

进一步地，采用上述氮化物薄膜还可以制得其他半导体器件，例如，高频、高功率和高温电子器件以及其他器件，具体原理可参照现有技术，在此不做赘述。

综上所述，本申请实施例提供了一种极性控制方法、氮化物薄膜制备方法和氮化物薄膜，该极性控制方法在单晶体衬底1上生长具有反演对称中心的界面层2，所述界面层2用于提供氮极性表面，其中，所述单晶体衬底1在垂直方向上的原子具有六方密堆排布结构。如此，通过在所述单晶体衬底1上生长具有反演对称中心的界面层2，以实现对氮极性的有效控制。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。