[发明专利]一种基于图形化蓝宝石衬底和预溅射技术的AlN薄膜的制备方法

说明书

本发明属于III族氮化物半导体制备技术领域，涉及低位错密度AlN外延薄膜的制备。该方法结合图形化蓝宝石衬底和预溅射AlN成核层两个核心关键环节，在此基础上通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)实现侧向外延过程，获得表面平整、位错密度低的AlN薄膜。

技术领域

本发明涉及III族氮化物半导体晶体质量控制技术领域，尤其涉及基于图形化蓝宝石衬底和预溅射AlN成核层技术实现低位错密度AlN外延薄膜的制备。

背景技术

目前国际上常见的制备AlN薄膜的技术路线主要有两种：采用在平整的蓝宝石衬底上通过低温成核和高温外延的调整工艺参数的方法，或者通过微米图形化蓝宝石衬底并结合MOCVD来实现减少位错。

然而由于晶格失配和热失配，导致这种AlN模板中往往有很高的贯穿位错密度(10⁹-10¹⁰cm^-2)。这些贯穿位错一般会延伸到器件有源区内，严重影响器件的性能。以DUV发光二极管(LED)为例，延伸到量子阱中的大量位错会极大限制发光效率的提升。

因此，开发表面平整和低位错密度AlN的制备方法是获得高性能的DUV光电器件的关键技术之一。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何降低AlN外延薄膜的位错密度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种在图形化蓝宝石衬底上先溅射一层AlN成核层，再采用MOCVD侧向外延方法实现低位错密度AlN薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备凹面图形化蓝宝石衬底；

S2：采用磁控溅射方法在蓝宝石衬底上预沉积AlN成核层；

S3：在AlN成核层上直接高温外延生长AlN外延层，完成聚合过程；继续外延直至达到目标厚度，即得。

不同于目前国际上常见的采用在平整的蓝宝石衬底上通过低温成核和高温外延的方法或者通过微米图形化蓝宝石衬底并结合MOCVD来实现减少位错的技术路线，本发明将衬底图形化处理技术与AlN预溅射技术巧妙的结合在一起，并在此基础上结合MOCVD高温外延技术，利用凹面图形化蓝宝石衬底上自然形成的多面生长竞争机制进行AlN生长动力学控制，及利用未聚合前各台面上晶柱的各倾斜面的镜像力作用弯折位错，从而有效减少AlN外延薄膜的位错。

利用X射线衍射扫描最终完成生长的、厚度达几微米的AlN外延薄膜发现，AlN外延层(002)面摇摆曲线半高宽可小于100arscec,(102)面半高宽可小于250arscec，说明采用本发明所述方法得到的AlN薄膜具有很低的螺型和刃型位错密度。

为了进一步提高AlN薄膜的质量，本发明还对上述步骤作出进一步限定：

本发明所述的“凹面图形化蓝宝石衬底”可采用本领域技术人员所掌握的任一凹面图形化方法，采用干法刻蚀法(如采用电感耦合等离子体(ICP),反应离子刻蚀方法直接刻蚀蓝宝石)或者湿法腐蚀法均可。但作为本发明的优选方案，步骤S1所述凹面图形化蓝宝石衬底优选采用纳米压印配合湿法腐蚀法制备而成，其具有成本低、便于操作等优点。具体制备步骤如下：

S101、采用等离子体增强化学气相沉积法的蓝宝石衬底上沉积SiO₂作为硬质掩膜，在所述硬质掩膜的上方旋涂纳米压印胶；

S102、将纳米压印模板上的图形压印到所述纳米压印胶上；

S103、采用干法刻蚀，以压印胶作为掩膜，将所述图形转移到由SiO₂沉积而成的硬质掩膜上；