[发明专利]基于r面SiC图形衬底的非极性a面AlN薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于r面SiC衬底的非极性a面AlN薄膜，主要解决现有非极性a面AlN薄膜制备工艺复杂，制作周期长和费用高的问题。其自下而上包括：200‑500μm厚的r面SiC衬底层、50‑150nm厚的GaN成核层、1000‑8000nm厚的Al组分渐变AlGaN层和1500‑3000nm厚的非极性a面AlN层，其中r面SiC衬底层的表面设有由金刚石砂纸打磨形成的衬底条纹，用以提高AlN材料的质量；Al组分渐变AlGaN层的Al组分从5％渐变至100％，用以降低AlN材料的应力。本发明无需进行光刻，缩短了制作周期，减小费用成本，可用于制作非极性a面AlN基的紫外和深紫外半导体器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种AlN薄膜的制备方法，可用于制作非极性a面AlN基的紫外和深紫外半导体器件。

技术背景

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料，如AlN基、GaN基、InN基等半导体材料，它们的禁带宽度往往差异较大，比如AlN为6.2eV、GaN为3.42eV、InN为0.7eV，因此人们通常利用这些Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料形成各种异质结结构。特别是InGaN材料体系在蓝光LED上取得了巨大的成功，2014年赤崎勇、天野昊和中村修二因为在蓝光LED方面的巨大贡献而获得了诺贝尔物理学奖。此外，AlGaN体系的材料由于禁带宽度很大，发光波长很小，如果调节Ga和Al的比例，可以使发光波长覆盖到紫外和深紫外，由于这种特点，因此AlN相关的材料及器件是目前的研究热点。常规AlN材料主要是在极性c面Al₂O₃和SiC生长的，主要是利用其AlGaN/AlN异质结界面处的高密度和高电子迁移率的二维电子气来实现高电子迁移率晶体管。这种二维电子气是由于异质结中较大的导带不连续性以及较强的极化效应产生的，这种极化效应在光电器件当中是有较大危害的，由于极化引起的内建电场的存在使能带弯曲、倾斜，并使能级位置发生变化，强大的极化电场还会使正负载流子在空间上分离，电子与空穴波函数的交迭变小，使材料的发光效率大大的降低。然而在a面非极性AlN材料中则不存在这种极化效应，因此在非极性a面制作LED有较为广阔的前景。SiC衬底材料由于和AlN之间具有更小的晶格失配，可以在SiC衬底上生长AlN材料，但SiC衬底和AlN之间依然有很高的热失配，生长的AlN材料质量依然很差。

为了减少缺陷，在r面SiC生长高质量的非极性a面AlN外延层，对此，许多研究者采用了不同的方法，其效果也比较明显。参见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)。但是这些工艺都较为复杂，制作周期很长且费用昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种无需进行光刻流程的基于r面SiC图形衬底的非极性a面AlN薄膜及其制备方法，以简化工艺，减小应力，缩短制作周期和减小费用成本。

为实现上述目的，本发明基于r面SiC图形衬底的非极性a面AlN薄膜，自下而上包括如下：r面SiC衬底层、GaN成核层、Al组分渐变AlGaN层和非极性a面AlN层，其特征在于：

r面SiC衬底层的表面设有通过金刚石砂纸打磨形成的衬底条纹，用以提高非极性a面AlN材料的质量，

Al组分渐变AlGaN层的Al组分从5％渐变至100％，用以降低非极性a面AlN材料的应力。

作为优选，所述的r面GaN成核层厚度为50-150nm。