[发明专利]非极性面Ⅲ族氮化物外延结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种非极性面Ⅲ族氮化物外延结构，包括衬底以及外延生长在所述衬底的非极性面上的相互间隔的多个二次外延柱状结构，所述二次外延柱状结构包括沿垂直于所述衬底的所述非极性面方向依次叠加的成核层、第一非极性面Ⅲ族氮化物层、掩膜层以及第二非极性面Ⅲ族氮化物层，所述第一非极性面Ⅲ族氮化物层和所述第二非极性面Ⅲ族氮化物层的外延生长表面为Ⅲ族氮化物的非极性面。本发明还公开了一种非极性面Ⅲ族氮化物外延结构的制备方法。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种非极性面Ⅲ族氮化物外延结构及其制备方法。

背景技术

以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料在制备高效率的发光二极管(LED)方面有着重大实用价值。目前，氮化镓(GaN)普遍外延在(001)面蓝宝石衬底上，然而，蓝宝石衬底和氮化镓(GaN)之间较大的晶格失配使得氮化镓(GaN)材料受到较严重的内部应力，产生较大的压电场。此外，由于氮化镓(GaN)的特殊晶体结构(纤锌矿结构)，其本身受到一定的自发极化效应。二者的共同作用可引起较为强大的内建电场，大大降低电子和空穴的复合效率，降低LED的发光效率。

一种有效解决上述问题的方法是外延非极性或半极性氮化镓(GaN)。其中最常见的是在六方晶系结构的蓝宝石的r面上生长外延表面为非极性面面的氮化镓。然而，由于非极性面氮化镓(GaN)和蓝宝石之间有非常大的晶格失配，致使氮化镓(GaN)晶体质量非常不理想，严重影响LED的发光效率。因此，提高非极性面氮化镓(GaN)的晶体质量是提高LED发光效率的关键。

发明内容

基于此，有必要针对非极性Ⅲ族氮化物外延结构晶格失配导致的质量问题，提供一种非极性面Ⅲ族氮化物外延结构及其制备方法。

一种非极性面Ⅲ族氮化物外延结构，包括衬底以及外延生长在所述衬底的非极性面上的相互间隔的多个二次外延柱状结构，所述二次外延柱状结构包括沿垂直于所述衬底的所述非极性面方向依次叠加的成核层、第一非极性面Ⅲ族氮化物层、掩膜层以及第二非极性面Ⅲ族氮化物层，所述第一非极性面Ⅲ族氮化物层和所述第二非极性面Ⅲ族氮化物层的外延生长表面为Ⅲ族氮化物的非极性面。

在其中一个实施例中，所述衬底的材料包括蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌以及Ⅲ族氮化物中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述成核层的材料包括Al_aIn_bGa_1-a-bN，其中0≤a≤1、0≤b≤1及0≤1-a-b≤1。

在其中一个实施例中，所述成核层的厚度为30nm～300nm。

在其中一个实施例中，所述二次外延柱状结构的横向直径为100nm～900nm。

在其中一个实施例中，所述多个柱形结构在所述衬底上的覆盖率为30％～80％。

在其中一个实施例中，所述第一非极性面Ⅲ族氮化物层的材料包括Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1、0≤y≤1及0≤1-x-y≤1，所述第一非极性面Ⅲ族氮化物层的材料为六方晶系结构，所述第一非极性面Ⅲ族氮化物层的非极性面为所述六方晶系的面。

在其中一个实施例中，所述第一非极性面Ⅲ族氮化物层的厚度为1μm-6μm。

在其中一个实施例中，所述掩膜层的材料包括硅、二氧化硅及氮化硅中的一种。

在其中一个实施例中，所述掩膜层的厚度为50nm～350nm。