[发明专利]利用二维氮化硼插入层弛豫氮化物外延结构中应力的方法

说明书

本发明公开了一种利用二维氮化硼插入层弛豫氮化物外延结构中应力的方法。本发明通过在氮化物外延结构与异质衬底间引入二维氮化硼BN插入层的方法，利用二维氮化硼BN插入层中原子层间弱分子键连接、易于释放应力等特点，实现氮化物外延结构中应力的可控调制，得到高晶体质量、高性能的氮化物外延结构；制备出的氮化物外延结构易于成核成长、缺陷密度低、晶体质量高；有效弛豫氮化物外延结构生长过程中的应力积聚和降温过程中的热应力积聚，避免氮化物外延结构生长及降温过程开裂，提高成品率；通过对二维氮化硼BN插入层结晶度、厚度和表面形貌的选择，在保证氮化物外延结构晶体质量的基础上实现对氮化物外延结构中应力的调制，重复性好。

技术领域

本发明涉及氮化物外延应力调节技术，具体涉及一种利用二维氮化硼插入层调制氮化物外延结构中应力的方法。

背景技术

氮化镓GaN基III～V族氮化物半导体是重要的直接带隙宽禁带半导体材料，光学和电学性质良好，在可见光发光二极管LED、短波长激光二极管LD、红外-紫外光电探测器、微波功率器件和电力电子器件等领域具有广阔的应用前景。

由于同质衬底匮乏，基于蓝宝石或碳化硅等异质衬底的异质外延技术成为制备氮化物外延结构的主要技术。该技术具有成本低、应用广泛等优点，在氮化镓GaN基半导体光电器件和电子器件领域中广泛应用。但是异质衬底和氮化物外延结构间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配(热失配)，进而在氮化物外延结构中引入较大的失配应力，可能导致以下问题：1.氮化物外延结构中通过形成高密度的失配位错弛豫失配应力，严重降低氮化物外延结构的晶体质量，制约光电器件结构中的载流子复合效率，恶化电子器件结构中的漏电问题；2.随着氮化物外延结构厚度增加，外延结构中失配应力不断积聚，可能在生长或降温过程中导致氮化物外延结构开裂，降低成品率；3.失配应力的存在可能在后续的芯片制造过程中引入可靠性问题，降低氮化物外延结构的使用寿命，限制其进一步器件化应用发展。因此，氮化物外延结构中应力调制技术的研究工作具有重要意义。

目前氮化物外延结构中应力调制技术主要包括：低温氮化镓/氮化铝插入层、氮化镓/氮化铝超晶格结构和图形掩模等。前两种技术失配应力释放不充分，存在晶体质量不高、厚膜开裂等问题；图形掩模技术则需要采用复杂的刻蚀、掩模等工艺，成本较高。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用二维氮化硼插入层调制氮化物外延结构中应力的方法。

本发明的利用二维氮化硼插入层调制氮化物外延结构中应力的方法，包括以下步骤：

1)根据所需要的氮化物外延结构，选择选择具有三重或者六重对称性的并与氮化物外延结构晶格失配和热失配均小于40％的材料作为异质衬底；

2)根据氮化物外延结构与异质衬底间晶格失配和热失配程度，设计相应的二维氮化硼BN插入层的形貌、结晶度和厚度，其中，二维氮化硼插入层的形貌为表面具有褶皱，并且二维氮化硼插入层具有高度结晶度；

3)采用薄膜沉积技术在三重或者六重对称性的异质衬底上控制生长温度，沉积形成二维氮化硼，通过控制二维氮化硼的沉积时间来控制二维氮化硼的厚度；

4)通过高温热退火技术，通过控制退火时间和温度，在异质衬底上获得具有褶皱形貌和高度结晶度的二维氮化硼插入层；

5)对二维氮化硼BN插入层表面进行洁净，并形成B-O悬挂键；

6)采用薄膜沉积技术或者气相外延技术，在二维氮化硼BN插入层的表面制备氮化物外延结构。