氮化铝单晶复合衬底及其制法、应用、应力和／或极化控制方法技术

一种氮化铝单晶复合衬底及其制法、应用、应力和/或极化控制方法，属于半导体领域。制备氮化铝单晶复合衬底的方法包括：提供单晶的第一氮化铝膜；对所述第一氮化铝膜进行低能离子辐照，以使所述第一氮化铝膜的表面形成至少由来自于所述第一氮化铝膜中的氮元素和/或铝元素构成的纳米结构；于所述纳米结构表面生长单晶的第二氮化铝膜。前述方法能够有效地控制AlN的应力，从而提高其使用性能。从而提高其使用性能。从而提高其使用性能。

【技术实现步骤摘要】
氮化铝单晶复合衬底及其制法、应用、应力和/或极化控制方法


[0001]本申请涉及半导体领域，具体而言，涉及一种氮化铝单晶复合衬底及其制法、应用、应力和/或极化控制方法。

技术介绍

[0002]以氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料是制备固态紫外(UV)及深紫外光电器件的发的核心材料。同时，AlN基材料在高频、高功率电力电子器件方面也独具优势。
[0003]目前，制备氮化铝衬底的方法主要包括：图形化衬底法、硅掺杂法已经引入超晶格过渡层法，需要制备厚度较大的过渡层才能实现降低位错密度、提升晶体质量的目的。
[0004]然而，这些方法的工艺复杂、成本昂贵、质量重复性要求较高，同时无法实现调控衬底的应力状态。
[0005]因此，研发一种低成本、高效的能调控AlN模板的应力状态，继而获得一种表面弛豫高质量、低位错密度的AlN衬底具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本申请提供了一种氮化铝单晶复合衬底及其制法、应用、应力和/或极化控制方法。通过实施该制备方法，能够以应力可控的方式获得高质量—至少是应力受控或减小—的氮化铝单晶复合衬底。
[0007]本申请是这样实现的：
[0008]在第一方面，本申请的示例提供了一种制备氮化铝单晶复合衬底的方法。该方法包括：
[0009]提供单晶的第一氮化铝膜；
[0010]对第一氮化铝膜进行低能离子辐照，以使第一氮化铝膜的表面形成至少由氮元素和/或铝元素构成的纳米结构，且所述氮元素和/或所述铝元素的部分或全部来自于第一氮化铝膜；
[0011]于纳米结构表面生长单晶的第二氮化铝膜。
[0012]根据本申请的一些示例，第一氮化铝膜是生长于衬底的表面的，其中的第一氮化铝膜的生长方法包括MOCVD、分子束外延法MBE、磁控溅射或脉冲激光沉积PLD；
[0013]可选地，衬底与第一氮化铝膜是同质的；
[0014]可选地，衬底与第一氮化铝膜是异质的，且衬底包括；蓝宝石、碳化硅、金刚石或氮化硼；或者，衬底包括三重或六重晶体结构对称性的c面蓝宝石、(111)面硅、6H碳化硅、(111)面金刚石或c面氮化硼；
[0015]可选地，衬底的厚度为300μm至600μm，和/或直径为2inch至8inch。
[0016]根据本申请的一些示例，在进行低能离子辐照之前，第一氮化铝膜经历了第一退火处理；
[0017]可选地，第一退火处理的温度包括1500℃至1800℃；
[0018]可选地，第一退火处理的时间为1小时至5小时；
[0019]可选地，第一退火处理是在成分和/或压强受控的气氛中进行的，气氛为氮气。
[0020]根据本申请的一些示例，低能离子辐照是通过离子注入机实施的；
[0021]或者，低能离子辐照的离子源是惰性气体离子，惰性气体包括氩气或氖气；
[0022]或者，低能离子辐照的离子源的注入能量是1Kev至10KeV，注入通量为1
×
10
17
/cm2至1
×
10
19
/cm2；
[0023]或者，在低能离子辐照过程中，第一氮化铝膜处于常温状态或加热状态，可选地，第一氮化铝膜的温度为1℃至500℃。
[0024]根据本申请的一些示例，方法包括：在获得纳米结构之后，生长单晶的第二氮化铝膜之前，进行第二退火处理；
[0025]可选地，第二退火处理的温度包括1000℃至1700℃；
[0026]可选地，第二退火处理的时间为1小时至5小时；
[0027]可选地，第二退火处理是在受控的气氛中进行的，气氛为氮气。
[0028]根据本申请的一些示例，生长单晶的第二氮化铝膜的方法包括金属有机物化学气相沉积；
[0029]可选地，金属有机物化学气相沉积过程中，氮源为氨气和铝源为三甲基铝，生长温度为1100℃至1400℃；
[0030]可选地，氨气和三甲基铝的流量摩尔比为100:500，压强为20Torr至50Torr。
[0031]在第二方面，本申请示例提出了一种氮化铝单晶复合衬底，其包括：
[0032]单晶的第一氮化铝膜；
[0033]形成于第一氮化铝膜的表面的纳米结构，纳米结构至少由氮元素和/或铝元素构成；
[0034]在纳米结构之上的单晶的第二氮化铝膜。
[0035]根据本申请的一些示例，纳米结构由重复单元周期性地分布于第一氮化铝膜的表面而构成；
[0036]和/或，纳米结构中的氮元素和/或铝元素来自于第一氮化铝膜。
[0037]在第三方面，本申请示例提出了一种前述制备氮化铝单晶复合衬底的方法在抑制氮化铝生长过程中的应力的应用。
[0038]在第四方面，本申请示例提出了一种控制具有预设厚度的氮化铝单晶复合衬底的应力和/或极化的方法。该方法通过独立的至少两个步骤分别制作单晶的氮化铝膜层，一个步骤能够对应地获得一个氮化铝膜层，且全部的氮化铝膜层的总厚度与预设厚度匹配一致；
[0039]在任意相邻的两个步骤之间，对任意相邻的两个步骤中的前一个步骤所制备的氮化铝膜层的表面进行低能离子注入的操作。
[0040]在以上实现过程中，本申请实施例提供的氮化铝单晶复合衬底的制备方法将氮化铝进行分层制备。并且，在制备后一层之前，对前一层的氮化铝进行表面的低能离子辐照，从而在该前一层的氮化铝的表面形成纳米结构。然后再在此纳米结构之上制作一层氮化铝。如此，通过其中所存在的纳米结构可以有效地控制最终获得的氮化铝的内部应力，从而
降低所获得氮化铝单晶复合衬底的压电极化效应。如此，这样一种应力受控的氮化铝单晶复合衬底可以作为一种高质量、低位错密度的AlN衬底，并且还在提升紫外发光器件的性能方面具有潜在的价值。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0042]图1为本申请实施例1中的生长于衬底上的AlN单晶的层级结构示意图；
[0043]图2示出了在图1的AlN单晶表面形成纳米结构的层级结构示意图；
[0044]图3示出了在图2的纳米结构表面生长AlN单晶薄膜的层级结构示意图。
[0045]图标：1
‑
氮化铝同质衬底；2
‑
AlN单晶；3
‑
纳米结构；4
‑
AlN单晶薄膜。
具体实施方式
[0046]优异质量的AlN单晶具有丰富的应用领域，因此存在制作高质量的AlN单晶的需求—尤其是大尺寸的AlN单晶。
[0047]目前，AlN一般都是以附着在衬底上的形式存在。因此，也就存在了异质或同质衬底的情况。其中，在异质衬底上制作AlN单晶会遇到应力的问题。而这会极大地影响AlN单晶的性能，甚至显著地缩短基于其所制作的器件的寿命。并且，该问题在制作大尺寸的AlN单晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备氮化铝单晶复合衬底的方法，其特征在于，所述方法包括：提供单晶的第一氮化铝膜；对所述第一氮化铝膜进行低能离子辐照，以使所述第一氮化铝膜的表面形成至少由氮元素和/或铝元素构成的纳米结构，且所述氮元素和/或所述铝元素的部分或全部来自于所述第一氮化铝膜；于所述纳米结构表面生长单晶的第二氮化铝膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一氮化铝膜是生长于衬底的表面的，其中的第一氮化铝膜的生长方法包括MOCVD、分子束外延法MBE、磁控溅射或脉冲激光沉积PLD；可选地，所述衬底与所述第一氮化铝膜是同质的；可选地，所述衬底与所述第一氮化铝膜是异质的，且所述衬底包括；蓝宝石、碳化硅、金刚石或氮化硼；或者，所述衬底包括三重或六重晶体结构对称性的c面蓝宝石、(111)面硅、6H碳化硅、(111)面金刚石或c面氮化硼；可选地，所述衬底的厚度为300μm至600μm，和/或直径为2inch至8inch。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行所述低能离子辐照之前，所述第一氮化铝膜经历了第一退火处理；可选地，所述第一退火处理的温度包括1500℃至1800℃；可选地，所述第一退火处理的时间为1小时至5小时；可选地，所述第一退火处理是在受控的气氛中进行的，所述气氛为氮气。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低能离子辐照是通过离子注入机实施的；或者，所述低能离子辐照的离子源是惰性气体离子，所述惰性气体包括氩气或氖气；或者，所述低能离子辐照的离子源的注入能量是1Kev至10KeV，注入通量为1
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/cm2至1
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/cm2；或者，在所述低能离子辐照过程中，所述第一氮化铝膜处于常温状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，王钇心，袁冶，刘上锋，康俊杰，罗巍，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：