Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于材料化学技术领域，尤其涉及一种III族氮化物/异质衬底复合模板。
【背景技术】
[0002]III族氮化物(包括GaN、InN, AlN及其多元合金)半导体被誉为第三代半导体材料，具有禁带宽度宽、热导率高、耐腐蚀等优良的物理化学性能，在光电器件和微电子器件等方面具有广泛应用前景。但是由于缺乏同质衬底材料，III族氮化物一般生长在蓝宝石、SiC和Si衬底上，晶格失配和热失配导致的外延材料位错密度比较高，从而阻碍了相关器件性能的提尚和应用。
[0003]生长III族氮化物的方法有很多种，一般是在衬底材料上利用外延生长的方法制备III族氮化物外延层，常见的外延生长方法包括金属有机物气相外延法(MOCVD)、氢化物气相外延法(HVPE)以及分子束外延(MBE)等。衬底材料与外延层构成模板材料，当外延层中存在Al和N元素时，则外延层的生长温度较高，一般在1200°C以上，这是由于Al原子与N原子之间的键能很强，虽然MOCVD法和HVPE法都能够实现高温条件(大于1200°C)下的外延层生长，但其生长时的侧向生长能力弱，较难实现缺陷密度的降低和应力的释放。
[0004]对于缺陷密度而言，为了满足器件制备的要求，一般要求III族氮化物中的缺陷密度小于19Cm 2O在应力控制方面，当外延层中存在Al和N元素时，在衬底材料上直接生长III族氮化物，厚度达到Iym以上时，就会产生裂纹。即使利用目前广泛使用的侧向外延生长技术，当厚度超过3 μ m时，也会产生裂纹。
[0005]有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种III族氮化物/异质衬底复合模板，使其更具有产业上的利用价值。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种III族氮化物/异质衬底复合模板，有效地降低III族氮化物中的缺陷密度，避免裂纹的产生，且生长工艺简单。
[0007]本实用新型提出了一种III族氮化物/异质衬底复合模板，包括衬底层和外延层，所述外延层内存在纳米级的孔洞，所述外延层的材料为III族氮化物。
[0008]进一步的，所述孔洞以下的外延层中含有Al元素。
[0009]进一步的，所述孔洞呈一个或多个层面分布于所述外延层内。
[0010]进一步的，任一所述孔洞层面距离衬底层和外延层界面的距离的偏差值小于500nmo
[0011]进一步的，所述孔洞的孔径为10-300nmo
[0012]进一步的，所述衬底层的材料为蓝宝石、S1、金刚石、SiC中的一种。
[0013]借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点:外延层中纳米级空洞的存在，降低了复合模板的缺陷密度，缓解了应力，且工艺方法简单，易于实现。
[0014]上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型实施例一中复合模板的结构示意图；
[0016]图2是本实用新型实施例一中样品表面的扫描电镜图；
[0017]图3是本实用新型实施例一中样品纵截面的扫描电镜图；
[0018]图4是本实用新型实施例一中样品的XRD图；
[0019]图5是本实用新型实施例一中样品的另一 XRD图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0021]本实用新型提出的III族氮化物/异质衬底复合模板的制备过程如下:
[0022]步骤1:选取蓝宝石作为衬底层I的材料并放入MOCVD反应室中，在其他实施方式中，衬底层I的材料可以为S1、金刚石或SiC中的任意一种；
[0023]步骤2:将衬底层I温度升高到600°C，采用MOCVD生长工艺，沉积一层AlN单晶薄膜层2，厚度为150nm ;或者采用HVPE生长工艺，沉积一层AlN单晶薄膜层2，厚度为150nm ;
[0024]步骤3:针对步骤2中的MOCVD生长的AlN单晶层，取出后经过清洗放入HVPE反应室中，升到1600°C，继续生长150nm ;针对HVPE生长AlN单晶层，则无需取出进行清洗，在600°C生长150nm之后直接升温到1600°C，继续生长150nm ；
[0025]步骤4:对上述两种AlN单晶薄膜，在HVPE高温反应室中，停止通入Al源和N源气体，改为4和辅助气体气氛，其中氢气的比例为50%，另外可通入辅助气体氯气和氯化氢气体，氯气和氯化氢气体气体的比例为0.1 %，辅助气体能够进一步加剧表面分解，继续升温到1800°C，刻蚀lmin，在AlN层表面形成一层刻蚀层3 ；
[0026]步骤5:在HVPE高温反应室中，在1800°C，将上述H2、氯气、氯化氢气体中的任意一种或多种关闭，并通入氨气对表面形成保护，降温到1600°C，并继续通入Al源和N源气体，继续生长AlN单晶薄膜，厚度为3000nm，在其他实施方式中，也可以生长其他III族氮化物的单晶薄膜；
[0027]步骤6:降温，取出样品。
[0028]图1为该样品的结构示意图，图2为该样品表面的扫描电镜图，可观察到该条件下制得的样品表面无裂纹，图3为该样品纵截面的扫描电镜图，可以清楚的观察到一排孔洞，该孔径约为30nm到200nm，图4和图5分别为该样品(0002)和(10-12)的XRD衍射图，可以看到半高宽分别低于300和500arecsec，说明AlN材料中的缺陷密度小于109cm 2。
[0029]综上所述，这些纳米孔洞的存在，即有利于缺陷密度的降低，又能够大幅的缓解应力。从缺陷密度的降低来看，一旦形成了这些纳米级的孔洞，在孔洞的周围将会导致局域侧向外延生长，纳米孔洞的表面对位错会形成一定程度的镜像力，诱导位错在孔洞周围弯曲，极大的增加了位错之间的相互反应，导致了位错的煙灭，从而降低了位错密度；另一方面，由于III族氮化物的原子迀移能力较弱，这些纳米级的孔洞刚好能够满足III族氮化物的侧向外延生长条件，即后续的III族氮化物生长能够将这些纳米孔洞填平，形成表面平整的AlN材料。从缓解应力上来看，导致III族氮化物产生裂纹的主要原因是生长过程中，III族氮化物内积累了大量的张应力，这些张应力无法释放，当应力大小超过了 III族氮化物的断裂强度之后，就会导致裂纹的产生。在III族氮化物中引入了纳米孔洞结构，并且这些纳米孔处于与基底材料表面相平行的位置，直接导致了 III族氮化物在纳米孔洞出现的位置形成了非连续结构，且纳米孔洞为中空结构，能够承受更大的弹性应变。因此III族氮化物中积累的张应力，优先通过纳米孔洞的变形，以弹性形变的方式进行了张应力释放，从而大幅度降低了整体张应力的大小，缓解了裂纹的产生。
[0030]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种III族氮化物/异质衬底复合模板，其特征在于:包括衬底层和外延层，所述外延层内存在纳米级的孔洞，所述外延层的材料为III族氮化物。2.根据权利要求1所述的III族氮化物/异质衬底复合模板，其特征在于:所述孔洞以下的外延层中含有Al元素。3.根据权利要求1所述的III族氮化物/异质衬底复合模板，其特征在于:所述孔洞呈一个或多个层面分布于所述外延层内。4.根据权利要求3所述的III族氮化物/异质衬底复合模板，其特征在于:任一所述孔洞层面距离衬底层和外延层界面的距离的偏差值小于500nm。5.根据权利要求1所述的III族氮化物/异质衬底复合模板，其特征在于:所述孔洞的孔径为10-300nmo
【专利摘要】本实用新型属于材料化学技术领域，尤其涉及一种Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板，该复合模板包括衬底层和外延层，所述外延层内存在纳米级的孔洞，所述外延层的材料为Ⅲ族氮化物，在纳米级孔洞层下方的Ⅲ族氮化物材料中含有Al元素，由于外延层中纳米孔洞的存在，有效地降低了Ⅲ族氮化物中的缺陷密度，避免了复合模板中裂纹的产生，而且生长工艺简单，适合推广。
【IPC分类】H01L29/06, H01L29/205, H01L21/02
【公开号】CN204792796
【申请号】CN201520439687
【发明人】张纪才, 王建峰, 徐科
【申请人】苏州纳维科技有限公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年6月25日