本发明专利技术公开了一种硅衬底上半极性、非极性GaN复合衬底的制备方法。首先在不以（111）晶面为表面的Si衬底上用掩膜保护与湿法刻蚀的方法形成沟槽，暴露出Si{111}晶面中的一个或数个；然后用金属有机化学气象沉积法在Si衬底上生长一薄层半极性或非极性GaN，形成籽晶层；再用氢化物气相外延法继续生长GaN厚膜，形成表面平整，高晶体质量的半极性、非极性GaN复合衬底。本发明专利技术促进了不同沟槽间GaN的愈合，减少了愈合处的位错，克服了现有技术沟槽处愈合困难，愈合处位错密度大的缺点，具有更好的晶体质量与表面平整度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及GaN基薄膜材料制备
，特别涉及一种Si衬底半极性、非极性 GaN复合衬底的制备方法。
技术介绍
GaN由于具有宽禁带(3. 4eV)、高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为目前半导体技术研究的热点。III族氮化物GaN、AlN(禁带宽度6. &V)、InN(禁带宽度0. 7eV)及其组成的合金IrixAlyGai_x_yN禁带宽度覆盖了从红外到可见光、紫外光的能量范围，因此在光电子领域有着广泛的应用，如大功率白光LED，蓝光激光器，紫外波段的日盲探测器，高频高功率器件等。目前GaN基LED、LD及电子器件已经实现了商品化生产，广泛应用于显示器背光源、照明、信息存储等领域。由于晶格中心对称性的缺失，GaN晶体材料存在较强的自发极化与压电极化效应。 极化电场使得电子与空穴在空间上分离，减少了二者的复合，降低了发光器件的效率，并引起波长的漂移，严重制约着器件性能的提高。对于GaN，极化电场总是沿0001方向(c方向)，而垂直(0001)的方向没有极化电场的分量，因而不受极化效应的影响，与之相对应的晶面就称为非极性面，如a面——(1120)面，m面——(1100)面。与(0001)斜交的方向极化电场比c方向小，对应的晶面就称为半极性面，如(1122)面。非极性半极性GaN材料能够减少极化效应的影响，因而可以大大提高LED，LD等发光器件的效率，吸引了大量的研究工作。目前非极性，半极性GaN还处于研究阶段，器件性能与c面的相比还有较大差距。 用于生长非极性GaN的衬底主要有r-LiA102，r面及a面蓝宝石，m面4H_SiC，自支撑GaN 衬底等。半极性GaN的衬底主要有(100)面及(110)面的尖晶石，m面的蓝宝石等。其中自支撑GaN衬底由于属于同质外延衬底，没有晶格失配，因而在其上生长的GaN材料位错密度较少，晶体质量最好，器件的性能也最高。目前自支撑GaN衬底主要通过HVPE生长较厚的c面GaN，然后用切割的方法获得非极性面的GaN衬底。该方法由于受到GaN生长厚度的限制因而尺寸很小，只有几毫米大小。目前报道的该方法制备的最大尺寸也仅IOXlOmm 大小。而且GaN比较坚硬，该方法需要对GaN进行切割与抛光才能获得表面光滑的非极性 GaN衬底，工艺较繁琐。Si作为目前最成熟的半导体材料，具有尺寸大，晶体质量高，价格便宜等诸多优点。如果能够在Si衬底上制备非极性或半极性GaN的复合衬底将大大扩大非极性，半极性 GaN衬底的面积，克服以上方法的不足。近年来日本名古屋大学的^shio Honda等人报道了在有掩膜的图形化Si衬底上生长半极性、非极性GaN薄膜的方法。首先在非(111)面的 Si衬底上用湿法刻蚀的方法成沟槽，暴露出(111)面；然后在暴露出的(111)面上用MOCVD 生长一层GaN薄膜，形成半极性或非极性GaN。该方法虽然实现了 Si衬底上半极性，非极性 GaN的生长，但还存在沟槽处愈合困难，愈合处位错密度大以及晶体质量不高等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Si衬底上半极性、非极性GaN复合衬底的制备方法， 该方法Si衬底上半极性，非极性GaN的生长愈合容易，愈合处位错密度小，在Si衬底上实现高晶体质量的半极性、非极性GaN复合衬底的制备。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案，依次进行下列步骤步骤1 用掩膜保护与湿法刻蚀的方法在不以(111)晶面为表面的Si衬底上形成沟槽，暴露出Si {111}晶面中的一个或数个；步骤2 用金属有机化学气象沉积法在Si衬底上依次生长AlN缓冲层、GaN层、应力调控层，形成半极性或非极性GaN生长的籽晶层；步骤3 用氢化物气相外延法继续生长GaN厚膜，形成半极性、非极性GaN复合衬底。上述步骤1中所述不以(111)晶面为表面的Si衬底包括(112)晶面Si衬底、 (110)晶面Si衬底、(001)晶面Si衬底、(113)晶面的Si衬底。上述步骤1中所述的Si {111}晶面包括Si (111)晶面、Si (111)晶面、Si (111)晶面、Si (111)晶面、Si (111)晶面、Si (111)晶面、Si (111)晶面、Si (111)晶面。当Si衬底不为(113)晶面的Si衬底时，步骤1的具体过程为步骤1-1 首先在Si衬底上形成条状掩膜；步骤1-2 然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个 Si {111}晶面；步骤1-3:用掩膜覆盖沟槽内除其中一个Si {111}晶面以外的表面。上述步骤1中，所述的掩膜为SW2或氮化硅。当Si衬底为(113)晶面的Si衬底时，步骤1的具体过程为步骤1-1 首先在Si衬底上形成条状掩膜；步骤1-2 然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个 Si {111}晶面。当Si衬底为(113)晶面的Si衬底，并且掩膜的宽度小于1微米时，步骤1的具体过程为步骤1-1 首先在Si衬底上形成条状掩膜；步骤1-2 然后用碱溶液腐蚀Si衬底，形成沟槽，沟槽的表面至少含有一个 Si {111}晶面；步骤1-4 腐蚀掉掩膜。上述步骤2中AlN缓冲层生长在Si衬底及沟槽内未被掩膜覆盖的表面上，开始阶段GaN只会在AlN覆盖的Si(Ill)晶面或其等效晶面上沿<0001〉方向生长。当GaN生长到一定厚度后，GaN就会长出沟槽，往纵向与横向生长，通过调节生长条件，可以使各沟槽中的GaN愈合到一起，形成半极性或非极性GaN。上述步骤2中所述的应力调控层为AlN插入层、GaN层、AlxGi^xN层、Ιηχ(^_χΝ层、 氮化硅掩膜层中的任意一种或其组合，其中0 < χ < 1。由于GaN与Si衬底间存在晶格失配与热失配，将引起GaN层中存在较大的应力与位错密度。该应力调控层用于缓解GaN厚膜与Si衬底间的应力，并减少位错密度，提高上层GaN的晶体质量。厚膜GaN利于愈合并能提高晶体质量。步骤3用HVPE (氢化物气相外延法)生长一层GaN厚膜，这样能够促进不同沟槽间GaN的愈合，减少愈合处的位错并能提高整体的晶体质量与表面的平整度。上述的GaN层、GaN厚膜为半极性GaN或非极性GaN。本专利技术在Si衬底上增加了应力调控层与HVPE生长的GaN厚膜，促进了不同沟槽间GaN的愈合，减少了愈合处的位错，克服了现有技术沟槽处愈合困难，愈合处位错密度大的缺点，具有更好的晶体质量与表面平整度。本专利技术在Si衬底上制备出高晶体质量的非极性，半极性GaN复合衬底，可用于生长非极性，半极性GaN材料以及制备LED，LD等光电器件，克服极化效应的影响。附图说明图IA是本专利技术实施例1步骤1-1结构示意图；图IB是本专利技术实施例1步骤1-2结构示意图；图IC是本专利技术实施例1步骤1-3结构示意图；图2是本专利技术实施例1经过步骤1-2后Si衬底俯视图的局部示意图；图3是本专利技术实施例1步骤2详细过程示意图；图4是本专利技术实施例1所述(1100)面非极性GaN复合衬底结构示意图；图5是本专利技术实施例2所述(1120)面非极性GaN复合衬底结构示意图；图6是本专利技术实施例3所述(1101)面半极性GaN复合衬底结构示意图；图7是本专利技术实施例4所述(1122)面半极性Ga本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种硅衬底上半极性、非极性ＧａＮ复合衬底的制备方法，其特征在于：依次进行下列步骤：步骤１：用掩膜保护与湿法刻蚀的方法在不以（１１１）晶面为表面的Ｓｉ衬底上形成沟槽，暴露出Ｓｉ｛１１１｝晶面中的一个或数个；步骤２：用金属有机化学气象沉积法在Ｓｉ衬底上依次生长Ａ１Ｎ缓冲层（４）、ＧａＮ层（５）、应力调控层（６），形成半极性或非极性ＧａＮ生长的籽晶层；步骤３：用氢化物气相外延法继续生长ＧａＮ厚膜（７），形成半极性、非极性ＧａＮ复合衬底。
【技术特征摘要】
1.一种硅衬底上半极性、非极性GaN复合衬底的制备方法，其特征在于依次进行下列步骤步骤1 用掩膜保护与湿法刻蚀的方法在不以(111)晶面为表面的 Si衬底上形成沟槽，暴露出Si {111}晶面中的一个或数个；步骤2 用金属有机化学气象沉积法在Si衬底上依次生长AlN缓冲层(4)、GaN层(5)、 应力调控层(6)，形成半极性或非极性GaN生长的籽晶层；步骤3 用氢化物气相外延法继续生长GaN厚膜(7)，形成半极性、非极性GaN复合衬底。2.如权利要求1所述的制备方法，步骤1中，所述的不以(111)晶面为表面的Si衬底包括(112)晶面Si衬底(Ia)，(110)晶面Si衬底(Ib)，(001)晶面Si衬底(Ic)及(113) 晶面的Si衬底(Id)。3.如权利要求1所述的制备方法，步骤1中，所述的Si{lll}晶面包括Si(Ill)晶面、 Si(Ill)晶面、Si(Ill)晶面、Si(Ill)晶面、Si(Ill)晶面、Si(Ill)晶面、Si(Ill)晶面、 Si(Ill)晶面。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于当Si衬底为非(113)晶面的Si衬底时，步骤1的具体过程为步骤1-1 首先在Si衬底上形成条状掩膜O)；步骤1-2 然后用碱溶液腐蚀Si衬底...
【专利技术属性】
技术研发人员：张佰君，向鹏，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81
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