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CN111863599A - 基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法 - Google Patents

基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法 Download PDF

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CN111863599A
CN111863599A CN202010763410.7A CN202010763410A CN111863599A CN 111863599 A CN111863599 A CN 111863599A CN 202010763410 A CN202010763410 A CN 202010763410A CN 111863599 A CN111863599 A CN 111863599A
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China
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CN202010763410.7A
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Inventor
周启航
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Foshan Zixi Huizhong Technology Co ltd
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Foshan Zixi Huizhong Technology Co ltd
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    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN
    • H10P14/2926—
    • H10P14/3216—
    • H10P14/3258—
    • H10P14/3416—
    • H10P14/3466—

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Abstract

本发明公开了一种基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，具体包括以下步骤：S1：在Si衬底的表面设置Si3N4膜，该Si3N4膜的晶体取向为（001）方向；S2：在所述Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；S3：在所述AlN buffer层上外延生长GaN膜；S4：在所述GaN膜的表面外延生长富Al组分的氮化物薄膜；本技术方案中，通过采用上述生长方法，能较好的制备出富Al组分氮化物材料，该生长方法工艺简单，可操作性强，有利于推动氮化物基紫外LED的应用。

Description

基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法
技术领域
本发明涉及一种材料生长方法，尤其涉及的是一种基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法。
背景技术
近年来，随着高Ga组分Ⅲ族氮化物相关研究的日趋深入和生长技术的日益成熟，人们逐渐将研究重心转向具有更宽带隙的高Al组分Ⅲ族氮化物。该材料常温下带隙宽至6.2 eV，可覆盖短至210nm的深紫外波长范围，具有耐高温、抗辐射、波长易调控等独特优点，因而是制备紫外发光器件的理想材料。但是，目前还有没有一种比较好的制备富Al组分氮化物材料的工艺方法，一定程度上制约了高效紫外发光器件的制备。
因此，现有的技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，以解决现有技术中的缺陷。
本发明的技术方案如下：一种基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，具体包括以下步骤：
S1：在Si衬底的表面设置Si3N4膜，该Si3N4膜的晶体取向为（001）方向；
S2：在所述Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；
S3：在所述AlN buffer层上外延生长GaN膜；
S4：在所述GaN膜的表面外延生长富Al组分的氮化物薄膜。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述Si3N4膜的厚度介于1nm至200nm之间；其中，所述Si3N4膜在整个所述Si衬底表面是连续的二维薄膜，或所述Si3N4膜是以规则形状排列的非连续二维薄膜，或所述Si3N4膜是连续的三维结构的薄膜，或所述Si3N4膜是非连续的三维结构的薄膜。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述Si3N4膜的生长方法为：利用氮气或者裂解的氨气中的氮原子与所述Si衬底表面的Si原子进行化学反应形成Si3N4薄膜；所述Si3N4膜的生长设备包括MBE、MOCVD、HVPE或CVD。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述Si3N4膜的生长方法为利用Si3N4靶材在Si衬底表面溅射形成；其中，Si衬底的表面晶体取向为（111）方向。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述AlN成核层位于所述Si3N4膜表面；AlN成核层的厚度介于3nm至300nm之间；AlN成核层的表面晶体取向为（000-1）。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述AlN成核层的生长设备包括MCVD、MBE、HVPE或CVD。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述AlN成核层的生长方法包括溅射或溶胶凝胶合成。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述富Al组分的氮化物薄膜包括InGaN和Al组分，其中，Al组分的质量占整个富Al组分的氮化物薄膜质量的百分比大于0小于1；所述富Al组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述富Al组分的氮化物薄膜包括AlGaN，富Al组分的氮化物薄膜的晶体取向为（000-1）。
所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其中，所述富Al组分的氮化物薄膜包括InAlGaN和Al组分，其中，Al组分的质量占整个富Al组分的氮化物薄膜质量的百分比大于0小于1；所述富Al组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间；所述富Al组分的氮化物薄膜的晶体取向为（000-1）。
本发明的有益效果：本发明通过提供一种基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，能较好的制备出富Al组分氮化物材料，该生长方法工艺简单，可操作性强，有利于推动氮化物基紫外LED的应用。
附图说明
图1是本发明中基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1所示，一种基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，具体包括以下步骤：
S1：在Si衬底的表面设置Si3N4（氮化硅）膜，该Si3N4膜的晶体取向为（001）方向；
S2：在所述Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN（氮化铝）成核层以及AlN buffer层（氮化铝缓冲层）；
S3：在所述AlN buffer层上外延生长GaN（氮化镓）膜；
S4：在所述GaN膜的表面外延生长富Al组分的氮化物薄膜。
本技术方案中，通过采用上述生长方法，能较好的制备出富Al组分氮化物材料，该生长方法工艺简单，可操作性强，有利于推动氮化物基紫外LED的应用。
在某些具体实施例中，所述Si衬底选取（111）晶面作为其生长表面，所述Si衬底的厚度介于100微米至2000微米之间。
在某些具体实施例中，所述Si3N4膜的厚度介于1nm至200nm之间；其中，所述Si3N4膜在整个所述Si衬底表面是连续的二维薄膜，或所述Si3N4膜是以规则形状排列的非连续二维薄膜，或所述Si3N4膜是连续的三维结构的薄膜，或所述Si3N4膜是非连续的三维结构的薄膜。
在某些具体实施例中，所述Si3N4膜是多晶或者非晶的材料。
在某些具体实施例中，所述Si3N4膜的生长方法为：利用N2（氮气）或者裂解的氨气中的氮原子与所述Si衬底表面的Si原子进行化学反应形成Si3N4薄膜；所述Si3N4膜的生长设备包括MBE（分子束外延设备）、MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积设备）、HVPE（Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延设备）或CVD（化学气相沉积设备）。
在某些具体实施例中，所述Si3N4膜的生长方法为利用Si3N4靶材在Si衬底表面溅射形成；其中，Si衬底的表面晶体取向为（111）方向。
在某些具体实施例中，根据生产需要，可以在Si3N4膜的表面可以设有介质掩膜，也可以不设置介质掩膜。
在某些具体实施例中，所述AlN成核层位于所述Si3N4膜表面；AlN成核层的厚度介于3nm至300nm之间；AlN成核层的表面晶体取向为（000-1）。
在某些具体实施例中，根据生产需要，所述AlN成核层可以形成连续的闭合薄膜，也可以形成未闭合薄膜。
在某些具体实施例中，所述AlN成核层的生长设备包括：MCVD（Modified ChemicalVapor Deposition，改良的化学气相沉积法）、MBE、HVPE或CVD。
在某些具体实施例中，所述AlN成核层的生长方法包括溅射或溶胶凝胶合成。
在某些具体实施例中，所述富Al组分的氮化物薄膜包括InGaN（铟镓氮）和Al组分，其中，Al组分的质量占整个富Al组分的氮化物薄膜质量的百分比大于0小于1；所述富Al组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
在某些具体实施例中，所述富Al组分的氮化物薄膜包括AlGaN（氮化铝镓），富Al组分的氮化物薄膜的晶体取向为（000-1）。
在某些具体实施例中，所述富Al组分的氮化物薄膜包括InAlGaN（铟铝镓氮）和Al组分，其中，Al组分的质量占整个富Al组分的氮化物薄膜质量的百分比大于0小于1；所述富Al组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间；所述富Al组分的氮化物薄膜的晶体取向为（000-1）。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：在Si衬底的表面设置Si3N4膜，该Si3N4膜的晶体取向为（001）方向；
S2：在所述Si3N4膜的表面依次沉积生长AlN成核层以及AlN buffer层；
S3：在所述AlN buffer层上外延生长GaN膜；
S4：在所述GaN膜的表面外延生长富Al组分的氮化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述Si3N4膜的厚度介于1nm至200nm之间；其中，所述Si3N4膜在整个所述Si衬底表面是连续的二维薄膜，或所述Si3N4膜是以规则形状排列的非连续二维薄膜，或所述Si3N4膜是连续的三维结构的薄膜，或所述Si3N4膜是非连续的三维结构的薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述Si3N4膜的生长方法为：利用氮气或者裂解的氨气中的氮原子与所述Si衬底表面的Si原子进行化学反应形成Si3N4薄膜；所述Si3N4膜的生长设备包括MBE、MOCVD、HVPE或CVD。
4.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述Si3N4膜的生长方法为利用Si3N4靶材在Si衬底表面溅射形成；其中，Si衬底的表面晶体取向为（111）方向。
5.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述AlN成核层位于所述Si3N4膜表面；AlN成核层的厚度介于3nm至300nm之间；AlN成核层的表面晶体取向为（000-1）。
6.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述AlN成核层的生长设备包括MCVD、MBE、HVPE或CVD。
7.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述AlN成核层的生长方法包括溅射或溶胶凝胶合成。
8.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述富Al组分的氮化物薄膜包括InGaN和Al组分，其中，Al组分的质量占整个富Al组分的氮化物薄膜质量的百分比大于0小于1；所述富Al组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间。
9.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述富Al组分的氮化物薄膜包括AlGaN，富Al组分的氮化物薄膜的晶体取向为（000-1）。
10.根据权利要求1所述的基于Si衬底的N极性面富Al组分氮化物材料生长方法，其特征在于，所述富Al组分的氮化物薄膜包括InAlGaN和Al组分，其中，Al组分的质量占整个富Al组分的氮化物薄膜质量的百分比大于0小于1；所述富Al组分的氮化物薄膜的厚度介于1nm至1000nm之间；所述富Al组分的氮化物薄膜的晶体取向为（000-1）。
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