[發明專利]具有非對稱周期結構的III族氮化物復合襯底及其加工方法

有效

• 申請號: 202110153096.5
• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112992653B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 趙見國;楊旻薈;曹錫哲;施江熠;王孟璇;田澄睿;顧浚哲
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮

本發明公開了一種具有非對稱周期結構的III族氮化物復合襯底及其加工方法，該復合襯底在特定取向的襯底上定義特定的兩個方向，沿不同方向制備具有不同周期的圖形，用于二次外延非、半極性III族氮化物材料。使用該復合襯底，可解決非、半極性III族氮化物在生長面內與傳統常規襯底存在晶格失配各向異性的問題，從而提高非、半極性III族氮化物的外延生長質量，廣泛應用于非、半極性III族氮化物光電子和電力電子器件。

技術領域：

本發明涉及電子信息工程領域，具體涉及一種具有非對稱周期結構的III族氮化物復合襯底及其加工方法，用于制備非、半極性III族氮化物模板或光電、電子電力器件。

背景技術：

以GaN為代表的III族氮化物半導體材料被稱作第三代半導體，因其具有寬禁帶、高電子遷移率、高擊穿電壓和良好的耐高溫、耐輻射等特性而在近年來取得迅速發展。因缺少合適的襯底材料，當前III族氮化物材料通常是異質外延的方式生長在藍寶石或碳化硅襯底上的。因III族氮化物與襯底間存在較大的晶格失配和熱失配，通常外延生長的III族氮化物會承受較大的應力，并會存在高密度的點缺陷、線缺陷和面缺陷，這些缺陷會嚴重制約III族氮化物的應用。使用圖形化藍寶石襯底(如圖2所示，201為圖形化藍寶石襯底的平面區域，202為圖形化藍寶石襯底的圖形)觸發側向外延后再合并生長，或者直接使用AlN或GaN模板(如圖3所示，301為藍寶石襯底，302為制備的大厚度AlN或GaN)進行同質外延生長，是提高外延生長的晶體質量的重要途徑。

因為III族氮化物原胞的正負電荷中心不重合，所以其為極性材料，存在極軸，即III族氮化物的C軸。傳統III族氮化物均是沿C軸方向外延生長，在異質結界面會產生強大的極化電荷，形成極化電場，導致電子與空穴的波函數發生分離，即量子限制斯塔克效應，嚴重降低電子與空穴的復合效率。而非極性III族氮化物的外延生長方向垂直于C軸，因此沿生長方向不存在極化電場，可以完全消除限制斯塔克效應，提高電子與空穴的復合效率；半極性III族氮化物則是外延生長方向與C軸的夾角大于0°小于90°，雖然不能完全消除限制斯塔克效應，但會在很大程度上減輕其影響。因此非、半極性III族氮化物近年來引發了廣泛的研究和關注。

然而，非、半極性III族氮化物在生長面內的不同方向具有不同的晶格常數，與襯底間的晶格失配也不同，即存在晶格失配的各向異性。所以，非、半極性III族氮化物的外延生長相較于極性更加困難，具有更差的晶體質量。而傳統圖形化襯底(如圖2所示)是為滿足外延生長傳統極性III族氮化物而設計的，將其直接用在非、半極性III族氮化物外延生長時，無法調節非、半極性III族氮化物于襯底間晶格失配的各向異性，因此并不適用于非、半極性III族氮化物的外延生長。因此，如何重新設計、制備新型復合襯底，實現高質量的非、半極性III族氮化物外延生長，成為非、半極性III族氮化物發展的關鍵。

上述問題的存在，是目前制約非、半極性III族氮化物基發光器件和光電探測器件發展的重要因素，如何有效獲得高質量的非、半極性III族氮化物，成為將非、半極性III族氮化物基發光器件和光電探測器件推向市場的關鍵。

發明內容：

由于非、半極性III族氮化物制備困難的最主要原因是由于其面晶格失配各向異性進而導致的應力的各向異性，為解決上述問題，本發明提供的一種具有非對稱周期結構的III族氮化物復合襯底，該復合襯底針對非、半極性III族氮化物在面內不同方向存在晶格失配各向異性的問題，特別設計了沿方向1和方向2具有不同的周期，從而分別調節兩個不同方向的晶格失配，最大程度上降低面內晶格失配各向異性而導致的應力各向異性。

本發明的另一目的是提供該復合襯底的加工方法。

為實現上述目的，本發明采用下述的技術方案：