[發明專利]基于Si襯底的N極性面富In組分氮化物材料生長方法

在審

• 申請號: 201811462579.8
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109599462A
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 張寧;馮梁森;魏學成;王軍喜;李晉閩
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L21/02;H01L33/32
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 李坤

本公開提供一種基于Si襯底的N極性面富In組分氮化物材料生長方法，包括：步驟A：在Si襯底的表面利用氨源或氮氣氮化一層Si₃N₄膜，該Si₃N₄膜的晶體取向為(001)方向；步驟B：在所述Si₃N₄膜的表面依次沉積生長AlN成核層以及AlN buffer層；步驟C：在所述AlN buffer層上外延生長GaN膜；步驟D：在所述GaN膜的表面外延生長富In組分的氮化物薄膜。本公開提供的基于Si襯底的N極性面富In組分氮化物材料生長方法能夠制備出低成本的N極性面富In組分氮化物材料及相應的微電子與光電子器件。

技術領域

本公開涉及半導體技術領域，尤其涉及一種基于Si襯底的N極性面富In組分氮化物材料生長方法。

背景技術

氮化物富In組分發光二極管(LED)由于具有能耗低、壽命長、無污染、抗惡劣環境能力強等特點，廣泛應用于顯示和照明等多個領域。

對于傳統的富In組分GaN藍綠LED來說，其發光的有源區基本結構是InGaN/GaN多量子阱。該結構的有源區存在諸多科學和技術問題有待解決。第一，富In組分InGaN/GaN量子阱中的壓電極化電場問題。由于富In的InGaN的晶格常數大于GaN的晶格常數，在沿(001)方向生長的InGaN/GaN量子阱中，有源區中產生較強的沿(000-1)方向的壓電極化場。極化電場的存在會使量子阱的能帶發生傾斜，造成空穴向有源區的注入困難，使得多個量子井內電子與空穴在有源區的復合幾率顯著下降，量子阱的發光效率降低。以上問題的產生存在一個共同的原因，即富In的InGaN有源區勢阱層和勢壘層間的晶格失配所導致的強壓電極化場致使能帶沿生長方向發生彎曲，不利于空穴的注入。

公開內容

(一)要解決的技術問題

基于上述技術問題，本公開提供一種基于Si襯底的N極性面富In組分氮化物材料生長方法，以緩解現有技術中的Si襯底的(111)表面獲得的富In氮化物光電器件的量子井中的強極化電場的技術問題。

(二)技術方案

本公開提供一種基于Si襯底的N極性面富In組分氮化物材料生長方法，包括：步驟A：在Si襯底的表面利用氨源或氮氣氮化一層Si₃N₄膜，該Si₃N₄膜的晶體取向為(001)方向；步驟B：在所述Si₃N₄膜的表面依次沉積生長AlN成核層以及AlN buffer層；步驟C：在所述AlNbuffer層上外延生長GaN膜；步驟D：在所述GaN膜的表面外延生長富In組分的氮化物薄膜。

在本公開的一些實施例中，所述Si襯底選取(111)晶面作為其生長表面，所述Si襯底的厚度介于100微米至2000微米之間。

在本公開的一些實施例中，所述Si₃N₄膜的厚度介于1nm至200nm之間；其中，所述Si₃N₄膜在整個所述Si襯底表面是連續的二維薄膜；或所述Si₃N₄膜是以規則形狀排列的非連續二維薄膜；或所述Si₃N₄膜是連續的或非連續的三維結構的薄膜。

在本公開的一些實施例中，所述Si₃N₄膜是多晶或者非晶的材料。

在本公開的一些實施例中，其中：所述Si₃N₄膜的生長方法為：利用N₂或者裂解的氨氣中的氮原子與所述Si襯底表面的Si原子進行化學反應形成薄膜；所述Si₃N₄膜的生長設備包括MBE、MOCVD、HVPE或CVD。