[发明专利]一种具有自组装模板的AlGaN复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有自组装模板的AlGaN复合薄膜及其制备方法，所述具有自组装模板的AlGaN薄膜由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN低温缓冲层、高温AlN层、AlGaN自组装模板层和高温AlGaN薄膜层；所述AlGaN自组装模板层由紧贴设置的AlInGaN薄膜层和AlGaN低温层升温退火至In升华后制得，且升温退火前所述AlInGaN薄膜层位于靠近所述高温AlN层一侧，所述AlGaN低温层位于靠近所述高温AlGaN薄膜层一侧。本发明通过AlInGaN薄膜层和AlGaN低温层经升温退火至In升华后，形成具有图形化的AlGaN自组装模板层，该AlGaN自组装模板层可以有效过滤来源于高温AlN层的穿透位错，并释放生长过程中积累的热应力，从而显著提高AlGaN复合薄膜的质量并防止薄膜开裂。

技术领域

本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有自组装模板的AlGaN复合薄膜及其制备方法。

背景技术

III族氮化物作为宽禁带半导体材料中的杰出代表，已经实现了高效的蓝绿光发光二极管(light-emitting diodes，LED)、激光器等固态光源器件，其在平板显示、白光照明等应用方面取得了巨大成功。近十年来，人们期望将这种高效的发光材料应用于紫外波段，以满足日益增长的紫外光源需求。紫外波段根据其生物效应通常可分为：长波紫外(UVA，320nm-400nm)、中波紫外(UVB，280nm-320nm)、短波紫外(UVC，200nm-280nm)以及真空紫外(VUV，10nm-200nm)。紫外线虽然不能被人类眼睛所感知，但其应用却非常广泛。长波紫外光源在医学治疗、紫外固化、紫外光刻、信息存储、植物照明等领域有着巨大的应用前景；而中波紫外及短波紫外(统称深紫外)则在杀菌消毒、水净化、生化探测、非视距通信等方面有着不可替代的作用。目前，传统紫外光源主要是汞灯，具有体积大、功耗高、电压高、污染环境等缺点，不利于其在日常生活及特殊环境下的应用。因此，人们迫切希望研制出一种高效的半导体紫外光源器件以替代传统的汞灯。现有研究表明Ⅲ族氮化物中的AlGaN是制备半导体紫外光源器件的最佳候选材料。AlGaN基体紫外LED具有无毒环保、小巧便携、低功耗、低电压、易集成、寿命长、波长可调等诸多优势，有望在未来几年取得突破性进展以及广泛应用，并逐步取代传统紫外汞灯。

目前深紫外LED发光效率普遍不超过5％，如前所述，这是由于内量子效率低以及光提取效率低两方面因素共同造成的。光提取效率低是由高Al组分AlGaN材料发光主要是从侧面出射这个本质特性造成，而内量子效率低是因为高Al组分AlGaN材料晶体质量目前尚未达到理想水平，其位错密度大多是在10⁹cm^-2量级。由于同质衬底的匮乏，III族氮化物材料通常是异质外延在蓝宝石衬底上，为了降低AlGaN材料的位错密度，提高其晶体质量，在生长AlGaN材料前需要首先在蓝宝石上生长一层二元AlN材料。一方面，二元AlN材料不存在三元AlGaN材料中的组分偏析问题，在高温下生长的AlN材料晶体质量更好；另一方面，AlGaN材料的晶格常数较AlN材料的大，AlGaN材料会受到来自于AlN材料的压应力，这样可以避免AlGaN材料外延过厚而开裂。目前受限于来自AlN底层的较大压应力及较大的穿透位错密度，AlGaN材料的位错密度仍较大，仍存在AlGaN薄膜开裂的问题。故需要提出一种新的AlGaN薄膜制备方案用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有自组装模板的AlGaN复合薄膜及其制备方法，用于解决现有技术中由于AlGaN材料的位错密度较大而开裂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了第一解决方案：提供一种具有自组装模板的AlGaN复合薄膜，具有自组装模板的AlGaN薄膜由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN低温缓冲层、高温AlN层、AlGaN自组装模板层和高温AlGaN薄膜层；AlGaN自组装模板层由紧贴设置的AlInGaN薄膜层和AlGaN低温层升温退火至In升华后制得，且升温退火前AlInGaN薄膜层位于靠近高温AlN层一侧，AlGaN低温层位于靠近高温AlGaN薄膜层一侧。