[发明专利]一种多孔氮化铝复合衬底及其在外延生长高质量氮化镓薄膜中的应用

说明书

本发明公开了一种多孔氮化铝复合衬底，并进一步提出了基于该多孔氮化铝复合衬底外延生长高质量氮化镓薄膜的方法。本发明方法包括氮化铝复合衬底制备、多孔氮化铝复合衬底制备和氮化镓外延生长三个阶段，其中氮化铝外延生长和氮化镓外延生长在MOCVD系统中进行。本发明通过对氮化铝进行湿法腐蚀，在氮化铝表面形成大量凹陷的位错坑，位错坑起到微区掩膜的作用，氮化镓首先在没有位错坑的表面进行成核，成核逐渐变大，相互合并，最终形成平整的表面。本发明中利用氮化镓外延生长具有生长选择性的特点，在氮化铝表面实现选区生长，将大量的位错缺陷终止在氮化铝层与氮化镓层的界面处，有效的减少了氮化镓薄膜中的位错密度，提高了晶体质量。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地涉及一种多孔氮化铝复合衬底及其在外延生长高质量氮化镓薄膜中的应用。

背景技术

以氮化镓为代表的III族氮化物(包括氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化铟、氮化铟镓、氮化铟铝镓等)，其禁带宽度可在0.7eV～6.28eV间调节，覆盖整个中红外、可见光和紫外波段。同时III族氮化物具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度大和介电常数小等特点，这些优良的物理和化学特性，使其在蓝、绿、紫和白光二极管、蓝色和紫色激光器，以及高频、大功率电子器件和紫外光探测器等领域具有广泛的应用前景，故III族氮化物材料被认为是在光电技术和电子技术领域中具有非常重要地位的材料。

然而，由于GaN特殊的稳定性(熔点2791K，融解压4.5GPa)，自然界缺乏天然的GaN体单晶材料。当前GaN基半导体材料主要是在蓝宝石、硅、碳化硅等衬底上异质外延进行的。其中蓝宝石衬底由于与GaN晶格失配大(16％)，热导率差，散热能力受限等问题，导致其在高频、大功率器件方面的应用受到限制，主要被应用在GaN发光器件领域。Si衬底由于价格低廉，同时容易获得更大的晶圆尺寸而受到关注，但由于GaN与Si之间存在着非常严重的热失配(54％)和晶格失配(17％)，Si基GaN外延材料往往存在大量缺陷，严重的影响了器件性能。SiC衬底由于散热能力好、与GaN晶格失配小，同时半绝缘特性优良，非常适合高频、大功率器件的研制，但由于SiC衬底价格较高，昂贵的衬底成本制约了其在发光器件领域的广泛应用。目前GaN基半导体材料在蓝光、白光发光二极管领域的应用，绝大多数生产厂商主要采用蓝宝石衬底。为了减少由于异质衬底与外延层之间晶格失配引起的位错密度，侧向外延(ELOG)【见Rep.Prog.Phys.67，667-715(2004)】和选区生长(SAG)【见phys.stat.sol.(a)176，535(1999)；J.Appl.Phys.103，044910(2008)】等技术被应用到GaN基半导体材料外延中。但传统的ELOG、SAG技术需要介质沉积、光刻、刻蚀等复杂的半导体工艺技术，工艺繁琐，成本较高，从而制约了该技术的广泛应用，因此如何减少这些繁琐的工艺，降低成本，是推广侧向外延、选区生长等技术在GaN基半导体材料外延领域应用的关键。

发明内容

发明目的：针对传统的侧向外延和选区生长技术工艺繁琐，成本较高的问题，本发明提供了一种用于外延生长高质量氮化镓薄膜的多孔氮化铝复合衬底。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种所用制备的多孔氮化铝复合衬底在外延生长高质量氮化镓薄膜的应用，从而实现无需介质沉积、光刻等复杂的工艺，利用多孔氮化铝复合衬底上GaN材料的生长选择性，即可实现GaN材料无掩膜选区生长，从而达到提高GaN外延薄膜晶体质量的目的。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出了一种多孔氮化铝复合衬底，其通过如下方法制备得到：

(1)提供一衬底，将该衬底转移入MOCVD系统中，高温下对衬底进行烘烤；

(2)在步骤(1)得到的衬底上沉积一层AlN成核层；

(3)在所述成核层上进行高温AlN外延层生长，制备AlN复合衬底；

(4)将所述AlN复合衬底转移出MOCVD系统，进行湿法腐蚀，得到多孔AlN复合衬底。