[發明專利]基于r面SiC圖形襯底的非極性a面AlN薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201710021851.8
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN106784228B
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 許晟瑞;趙穎;彭若詩;張進成;林志宇;樊永祥;姜騰;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L33/32
• 分類號: H01L33/32;H01L33/22;H01L33/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

本發明公開了一種基于r面SiC襯底的非極性a面AlN薄膜，主要解決現有非極性a面AlN薄膜制備工藝復雜，制作周期長和費用高的問題。其自下而上包括：200?500μm厚的r面SiC襯底層、50?150nm厚的GaN成核層、1000?8000nm厚的Al組分漸變AlGaN層和1500?3000nm厚的非極性a面AlN層，其中r面SiC襯底層的表面設有由金剛石砂紙打磨形成的襯底條紋，用以提高AlN材料的質量；Al組分漸變AlGaN層的Al組分從5％漸變至100％，用以降低AlN材料的應力。本發明無需進行光刻，縮短了制作周期，減小費用成本，可用于制作非極性a面AlN基的紫外和深紫外半導體器件。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，特別涉及一種AlN薄膜的制備方法，可用于制作非極性a面AlN基的紫外和深紫外半導體器件。

技術背景

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體材料，如AlN基、GaN基、InN基等半導體材料，它們的禁帶寬度往往差異較大，比如AlN為6.2eV、GaN為3.42eV、InN為0.7eV，因此人們通常利用這些Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料形成各種異質結結構。特別是InGaN材料體系在藍光LED上取得了巨大的成功，2014年赤崎勇、天野昊和中村修二因為在藍光LED方面的巨大貢獻而獲得了諾貝爾物理學獎。此外，AlGaN體系的材料由于禁帶寬度很大，發光波長很小，如果調節Ga和Al的比例，可以使發光波長覆蓋到紫外和深紫外，由于這種特點，因此AlN相關的材料及器件是目前的研究熱點。常規AlN材料主要是在極性c面Al₂O₃和SiC生長的，主要是利用其AlGaN/AlN異質結界面處的高密度和高電子遷移率的二維電子氣來實現高電子遷移率晶體管。這種二維電子氣是由于異質結中較大的導帶不連續性以及較強的極化效應產生的，這種極化效應在光電器件當中是有較大危害的，由于極化引起的內建電場的存在使能帶彎曲、傾斜，并使能級位置發生變化，強大的極化電場還會使正負載流子在空間上分離，電子與空穴波函數的交迭變小，使材料的發光效率大大的降低。然而在a面非極性AlN材料中則不存在這種極化效應，因此在非極性a面制作LED有較為廣闊的前景。SiC襯底材料由于和AlN之間具有更小的晶格失配，可以在SiC襯底上生長AlN材料，但SiC襯底和AlN之間依然有很高的熱失配，生長的AlN材料質量依然很差。

為了減少缺陷，在r面SiC生長高質量的非極性a面AlN外延層，對此，許多研究者采用了不同的方法，其效果也比較明顯。參見Nonpolar 4H-AlN grown on 4H-SiC(11-00)(11-00)with reduced stacking fault density realized by persistent layer-by-layer growth，Applied Physics Letter,93,082106(2008)和Polytype Replication inHeteroepitaxial Growth of Nonpolar AlN on SiC,Mrs Bulletin,34,5,348-352(2009)。但是這些工藝都較為復雜，制作周期很長且費用昂貴。

發明內容

本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種無需進行光刻流程的基于r面SiC圖形襯底的非極性a面AlN薄膜及其制備方法，以簡化工藝，減小應力，縮短制作周期和減小費用成本。

為實現上述目的，本發明基于r面SiC圖形襯底的非極性a面AlN薄膜，自下而上包括如下：r面SiC襯底層、GaN成核層、Al組分漸變AlGaN層和非極性a面AlN層，其特征在于：

r面SiC襯底層的表面設有通過金剛石砂紙打磨形成的襯底條紋，用以提高非極性a面AlN材料的質量，

Al組分漸變AlGaN層的Al組分從5％漸變至100％，用以降低非極性a面AlN材料的應力。

作為優選，所述的r面GaN成核層厚度為50-150nm。