[发明专利]具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底及其加工方法

说明书

本发明公开了一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底及其加工方法，该复合衬底在特定取向的衬底上定义特定的两个方向，沿不同方向制备具有不同周期的图形，用于二次外延非、半极性III族氮化物材料。使用该复合衬底，可解决非、半极性III族氮化物在生长面内与传统常规衬底存在晶格失配各向异性的问题，从而提高非、半极性III族氮化物的外延生长质量，广泛应用于非、半极性III族氮化物光电子和电力电子器件。

技术领域：

本发明涉及电子信息工程领域，具体涉及一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底及其加工方法，用于制备非、半极性III族氮化物模板或光电、电子电力器件。

背景技术：

以GaN为代表的III族氮化物半导体材料被称作第三代半导体，因其具有宽禁带、高电子迁移率、高击穿电压和良好的耐高温、耐辐射等特性而在近年来取得迅速发展。因缺少合适的衬底材料，当前III族氮化物材料通常是异质外延的方式生长在蓝宝石或碳化硅衬底上的。因III族氮化物与衬底间存在较大的晶格失配和热失配，通常外延生长的III族氮化物会承受较大的应力，并会存在高密度的点缺陷、线缺陷和面缺陷，这些缺陷会严重制约III族氮化物的应用。使用图形化蓝宝石衬底(如图2所示，201为图形化蓝宝石衬底的平面区域，202为图形化蓝宝石衬底的图形)触发侧向外延后再合并生长，或者直接使用AlN或GaN模板(如图3所示，301为蓝宝石衬底，302为制备的大厚度AlN或GaN)进行同质外延生长，是提高外延生长的晶体质量的重要途径。

因为III族氮化物原胞的正负电荷中心不重合，所以其为极性材料，存在极轴，即III族氮化物的C轴。传统III族氮化物均是沿C轴方向外延生长，在异质结界面会产生强大的极化电荷，形成极化电场，导致电子与空穴的波函数发生分离，即量子限制斯塔克效应，严重降低电子与空穴的复合效率。而非极性III族氮化物的外延生长方向垂直于C轴，因此沿生长方向不存在极化电场，可以完全消除限制斯塔克效应，提高电子与空穴的复合效率；半极性III族氮化物则是外延生长方向与C轴的夹角大于0°小于90°，虽然不能完全消除限制斯塔克效应，但会在很大程度上减轻其影响。因此非、半极性III族氮化物近年来引发了广泛的研究和关注。

然而，非、半极性III族氮化物在生长面内的不同方向具有不同的晶格常数，与衬底间的晶格失配也不同，即存在晶格失配的各向异性。所以，非、半极性III族氮化物的外延生长相较于极性更加困难，具有更差的晶体质量。而传统图形化衬底(如图2所示)是为满足外延生长传统极性III族氮化物而设计的，将其直接用在非、半极性III族氮化物外延生长时，无法调节非、半极性III族氮化物于衬底间晶格失配的各向异性，因此并不适用于非、半极性III族氮化物的外延生长。因此，如何重新设计、制备新型复合衬底，实现高质量的非、半极性III族氮化物外延生长，成为非、半极性III族氮化物发展的关键。

上述问题的存在，是目前制约非、半极性III族氮化物基发光器件和光电探测器件发展的重要因素，如何有效获得高质量的非、半极性III族氮化物，成为将非、半极性III族氮化物基发光器件和光电探测器件推向市场的关键。

发明内容：

由于非、半极性III族氮化物制备困难的最主要原因是由于其面晶格失配各向异性进而导致的应力的各向异性，为解决上述问题，本发明提供的一种具有非对称周期结构的III族氮化物复合衬底，该复合衬底针对非、半极性III族氮化物在面内不同方向存在晶格失配各向异性的问题，特别设计了沿方向1和方向2具有不同的周期，从而分别调节两个不同方向的晶格失配，最大程度上降低面内晶格失配各向异性而导致的应力各向异性。

本发明的另一目的是提供该复合衬底的加工方法。

为实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：