Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法技术

本发明专利技术属于材料化学技术领域，尤其涉及一种Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料化学
，尤其涉及一种III族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法。
技术介绍
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。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。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109cm_2。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。综上，当前依然缺乏一种合适的III族氮化物/异质衬底复合模板的制备方法，既能有效的将III族氮化物中的缺陷密度降低到19CnT2以下，又能避免裂纹的产生，还具备生长工艺简单，满足批量生产的要求。有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研宄创新，以期创设一种III族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种III族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法，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。本专利技术提出了一种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。进一步的，所述孔洞以下的外延层中含有Al元素。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。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进一步的，所述孔洞的孔径为10_300nmo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。本专利技术还提出了一种III族氮化物/异质衬底复合模板的制备方法，包括以下步骤:(I)在衬底层上沉积一层含有Al元素的III族氮化物单晶薄膜层；(2)对所述步骤⑴中的III族氮化物单晶薄膜层进行退火处理；(3)退火处理后，继续沉积III族氮化物。进一步的，所述退火处理时使用的刻蚀气体为氢气，或是氢气和辅助气体的混合气体，所述辅助气体包括氯气和/或氯化氢气体，所述氢气的比例为50-90%，所述辅助气体的比例为0.1-10%。进一步的，所述步骤(2)中的退火温度为1400-1800°C，退火时间为l_120min。进一步的，所述步骤(I)中的沉积温度为400-1600°C，所述步骤(3)中的沉积温度为 1200-1600°Co借由上述方案，本专利技术至少具有以下优点: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。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下为本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。【附图说明】图1是本专利技术实施例一中复合模板的结构示意图；图2是本专利技术实施例一中样品表面的扫描电镜图；图3是本专利技术实施例一中样品纵截面的扫描电镜图；图4是本专利技术实施例一中样品的XRD图；图5是本专利技术实施例一中样品的另一 XRD图；图6是本专利技术实施例二中样品表面的扫描电镜图；图7是本专利技术实施例二中样品纵截面的扫描电镜图；图8是本专利技术实施例二中样品的XRD图；图9是本专利技术实施例二中样品的另一 XRD图；图10是本专利技术实施例三中样品的透射电镜图；图11是本专利技术实施例三中样品的另一透射电镜图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例，对本专利技术的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例一: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；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 ；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 ；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 ；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；步骤6:降温，取出样品。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。实施例二:步骤1:选取蓝宝石作为衬底层的材料并放入MOCVD反应室中，在其他实施方式中，衬底层的材料可以为S1、金刚石或SiC中的任意一种；步骤2:将衬底层温度升高到600°C，采用MOCVD生长工艺，沉积一层AlN单晶薄膜层，厚度为50nm ;或者采用HVPE生长工艺，沉积一层AlN单晶薄膜层，厚度为50nm，在其他实施方式中，也可以生长厚度更厚的AlN单晶材料；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HV当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张纪才，王建峰，徐科，
申请(专利权)人：苏州纳维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32