[发明专利]一种III族氮化物外延薄膜及其选区生长方法

说明书

本发明公布了一种III族氮化物外延薄膜及其选区生长方法，在图形化衬底的图形上方以转移的碳纳米管作为位错截止层，利用有周期性的碳纳米管阵列制备具有空间结构的复合衬底，通过一次生长完成微米图形诱导位错弯曲的过程和纳米多孔层实现位错截止的过程，有效降低位错，从而获得高质量III族氮化物外延薄膜。本发明工序简单、成本低廉，兼容性高，非常便于产业化应用。

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及III族氮化物外延薄膜制备技术，尤其涉及一种在图形化衬底上以碳纳米管作为位错截止层的高质量III族氮化物外延薄膜及其选区生长方法。

背景技术

III族氮化物在短波长光电子领域具有无可替代的巨大优势，但由于III族氮化物体单晶制备困难、价格高昂，商业可用的III族氮化物薄膜主要通过在异质衬底上进行外延来获得。

在常用的异质衬底中，蓝宝石衬底由于容易量产且价格低廉，是目前实验室研究和工业化生产中最广泛使用的衬底。但蓝宝石衬底与III族氮化物存在较大的晶格失配和热失配，导致较高的位错密度并显著影响器件的光电性能，特别是对下一代紫外发光器件。过去蓝光发光器件产业化过程中形成的两大主流外延技术——图形化衬底和侧向外延，只能将位错密度降低到～10⁸/cm²的水平，而多次侧向外延、叠层掩膜等更精巧的外延技术，虽然能将位错密度降低到商用要求的～10⁷/cm²，但这些技术往往需要多次的工艺过程甚至多次的外延生长，工序繁杂且成本较高，仍难以进行工业化应用。高位错密度带来紫外发光器件的效率瓶颈问题和散热问题，器件结温也随之升高，这又会造成发光强度和寿命的恶化，加之蓝宝石衬底的热导率相对较小、散热能力相对不强，器件散热的问题表现的尤其明显。以简单有效的方式降低外延结构中的位错密度乃至改善器件散热，同时兼顾技术实施的成本，成为短波长光电领域近年来关注的焦点。

碳纳米管为一种管状的碳分子，径向尺寸在纳米量级，轴向尺寸在微米量级，具有巨大的长径比，是典型的一维材料。其表面的碳原子以sp²杂化的C-C键相连，外壁光滑，无悬挂键，耐高温和常规酸碱，理化性质稳定。上述形貌和物性特点决定气相外延中的反应物和中间产物一般难以在碳纳米管上附着。此外，研究表明碳纳米管的轴向热导率在3000-6600W/mK,具有良好的导热性。作为较早发现的新型碳材料，碳纳米管目前已经可以宏量制备，成本较低，并且能够实现定向和转移。其制备流程仅涉及很少原料，反应进行的相对充分，残留的杂质浓度极低，满足半导体工业的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种III族氮化物外延薄膜及其选区生长方法，采用在图形化衬底的图形上方，以转移的碳纳米管作为位错截止层的高质量III族氮化物外延薄膜的选区生长的方式，获得高质量III族氮化物外延薄膜，工序简单、成本低廉，具有明显的技术优势。

本发明的核心是：为了解决短波长发光器件中高位错密度导致低光效、高产热及蓝宝石衬底带来的散热困难等一系列问题，本发明提出了一种在图形化衬底的图形上方以转移的碳纳米管作为位错截止层的高质量III族氮化物外延薄膜的选区生长方法及结构。借助有周期性的碳纳米管阵列，制备了一种具有特殊空间结构的复合衬底，一次生长便可组合“微米图形诱导位错弯曲”和“纳米多孔层实现位错截止”两个独立的有效降低位错的过程，从而可以获得高质量III族氮化物外延薄膜，工序简单、成本低廉，制备的器件的峰值内量子效率(表征电能转换为光能的效率)大幅提高，出光功率(相同工作电流下)、饱和电流及饱和光功率也随之大幅提高，高的电光转换效率也将降低器件产热。进一步，碳纳米管自身较强的散热能力也弥补了蓝宝石衬底在散热方面的不足。在减少产热的基础上提高散热可以显著降低器件结温，而结温的降低反过来也有利于电光转换效率的提高。本发明将改善晶体质量和改善散热的结构合二为一，一次工艺实现两种彼此相互促进的功能，相比于现有利用碳基等新材料单纯改善晶体质量(或单纯改善散热效果)的诸多复杂设计，本发明的上述结合可以起到“一加一大于二”的效果，而且结构更简单、更便于实施也更具成本优势。

本发明提供的技术方案是：