一种氮化物半导体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体领域，具体涉及一种氮化物半导体材料及其制备方法。该制备方法包括在衬底上形成混合极性AlN外延层，混合极性AlN外延层由相互连接的多个混合极性AlN单元形成，每一混合极性AlN单元包括N极性AlN和设置在N极性AlN中心的Al极性AlN，Al极性AlN的厚度大于N极性AlN；在混合极性AlN外延层的Al极性AlN上形成合拢层以使多个Al极性AlN合拢。本发明专利技术利用Al极性和N极性AlN生长特性和腐蚀特性的差异，发明专利技术出一种极为简便的高质量氮化物外延层生长方法。达到了纳米图形化衬底生长方法的效果，却规避了传统纳米图形化衬底制备所需的掩膜、光刻、腐蚀等复杂工艺，可降低成本、提高效率。

A Nitride Semiconductor Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种氮化物半导体材料及其制备方法
本专利技术涉及半导体领域，具体而言，涉及一种氮化物半导体材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，铝铟镓氮(AlInGaN)、铝镓氮(AlGaN)以及AlN等氮化物半导体材料因其耐高温、抗辐射、耐化学腐蚀、高发光效率等优良特性而受到广泛关注，已在蓝光和白光发光二极管和激光器等领域实现了商业化应用。然而基于高铝组分铝镓氮(AlGaN)材料的光电器件和电子器件进展仍然缓慢，较差的材料质量是造成这一现象的重要原因。由于AlN单晶衬底存在尺寸小、质量差、价格高、存在禁运问题等，目前商业化的AlN基板主要是生长在蓝宝石、硅、碳化硅、金属衬底等异质衬底上。AlN和异质衬底之间存在较大的热失配和晶格失配，同时Al原子的迁移能力较弱，这导致AlN外延层中存在较大的应变和高密度的缺陷。为了改善AlGaN、AlN等材料的晶体质量，图形化衬底技术应运而生，在图形化衬底上生长氮化物材料可以通过形成孔洞释放应变，同时孔洞提供的自由面可以促进位错转弯和中止。考虑到Al原子迁移能力较弱，在纳米图形化衬底上生长氮化物材料更容易获得连续平整的表面。然而，纳米图形化衬底的制备相比成熟的微米图形化衬底难度更大、成品率更低、尺寸更小、价格更贵。且在传统纳米图形化衬底过程中需要经过掩膜、光刻、腐蚀等复杂工艺，使得这个之别过程过于复杂，且需要使用光刻胶，而光刻胶等物质对人体伤害大且对自然环境污染较大，因此，急需一种操作简单、污染小且保证制备得到的半导体材料位错低。
技术实现思路
本专利技术还提供了一种氮化物半导体材料的制备方法，该方法操作简单，成本低廉，对环境友好，同时，制备得到的半导体材料性能良好。本专利技术提供了一种氮化物半导体材料，该材料的位错密度底，应变小，性能高。本专利技术是这样实现的：本专利技术还提供一种氮化物半导体材料的制备方法，在衬底上形成混合极性AlN外延层，所述混合极性AlN外延层由相互连接的多个混合极性AlN单元形成，每一混合极性AlN单元包括N极性AlN和设置在N极性AlN中心的Al极性AlN，Al极性AlN的厚度大于N极性AlN；在混合极性AlN外延层的Al极性AlN上形成合拢层以使多个Al极性AlN合拢。本专利技术提供一种氮化物半导体材料，其包括：衬底；设置在衬底上的混合极性AlN外延层，所述混合极性AlN外延层由相互连接的多个混合极性AlN单元形成，每一混合极性AlN单元包括N极性AlN和设置在N极性AlN中心的Al极性AlN，Al极性AlN的厚度大于N极性AlN；设置在多个Al极性AlN上且使多个Al极性AlN合拢的合拢层；优选地，所述合拢层为AlN层或AlGaN层。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用Al极性和N极性AlN生长特性的差异和腐蚀特性的差异，专利技术出一种极为简便的高质量氮化物外延层生长方法。达到了纳米图形化衬底生长方法的效果，却规避了传统纳米图形化衬底制备所需的掩膜、光刻、腐蚀等复杂工艺，可降低成本、提高效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1是本专利技术实施1提供的氮化物半导体材料的结构示意图；图2为是本专利技术实施1提供的混合极性AlN外延层的结构示意图；图3为本专利技术实施1提供的腐蚀后的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例提供一种氮化物半导体材料及其制备方法具体说明。本专利技术实施例还提供一种上述氮化物半导体材料的制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成混合极性AlN外延层，所述混合极性AlN外延层由相互连接的多个混合极性AlN单元形成，每一混合极性AlN单元包括N极性AlN和设置在N极性AlN中心的Al极性AlN，Al极性AlN的厚度大于N极性AlN；在混合极性AlN外延层的Al极性AlN上形成合拢层以使多个Al极性AlN合拢。具体操作如下：S1、对衬底进行处理；首先，对衬底进行处理，具体地，对衬底进行预处理是对衬底进行加热，且加热的温度为900-1500℃，常温下无法使得AlN进行沉积，因此，必须对衬底进行加热，而后才能进行沉积，但是若温度过高容易损坏衬底，且对后续沉积也有影响。进一步地，加热的同时向衬底通入铝源，通入铝源的时间为0-1000秒，优选为0-400秒，通入铝源的流量为0-2000sccm,优选为100-700sccm。此时，通入铝源，不通入氮源，因此，并不会形成AlN，而铝源和衬底表面的部分原子发生了结合，有利于后续的沉积形成混合极性AlN外延层。进一步地，处理温度过高或者通入大量的氮源预处理有利于形成单一N极性AlN；处理温度过低或者大量的有机铝源预处理有利于形成单一Al极性AlN；而采用上述温度中和上述含量的铝源预处理会形成混合极性AlN外延层。S2、沉积形成AlN外延层；衬底处理完成后进行沉积形成AlN外延层，具体地，AlN外延层是同时向衬底上通入氮源和铝源进行沉积形成混合极性AlN外延层。进一步地，沉积的温度为1000-1500℃，优选为1300℃，且压力为0-200mbar，优选为50mbar。控制沉积的温度有利于控制沉积得到的混合极性AlN外延层的性能，优选，沉积的温度低于衬底处理的温度，降低沉积的温度，更有利于保证混合极性AlN外延层的性能。进一步地，通入的氮源和铝源的摩尔比为100-1000:1，优选为150-550:1，更优选为500:1。且沉积时，Al极性AlN外延层的生长速率小于5微米/小时，优选，小于2微米/小时，更优选为0.5-1.5微米/小时；N极性AlN外延层的生长速率小于4微米/小时，优选，小于1.5微米/小时，更优选为0.3-0.8微米/小时，且N极性AlN外延层的生长速率小于Al极性AlN外延层的生长速率；优选地，N极性AlN外延层的生长速率和Al极性AlN外延层的生长速率差为0.5微米/小时。沉积采用上述条件，能够保证混合极性AlN外延层为六角梯形，梯形中心Al极性AlN部分的位错会在镜像力的作用下向N极性AlN部分的侧面弯曲。因此，中心Al极性AlN部分位错密度很低，侧面N极性AlN部分位错密度较高。进一步地，采用的氮源为氨气，所述铝源为有机铝，优选为三甲基铝。采用上述物质更容易进行沉积。S3、湿法腐蚀；对形成AlN外延层的衬底进行湿法腐蚀以去除部分N极性AlN形成具有Al极性AlN纳米柱的混合层。具体地，利用碱性物质处理所述混合极性AlN外延层形成具有Al极性AlN纳米柱的混合层。混合极性AlN外延层是N极性AlN外延层夹着Al极性AlN外延层，而碱性物质能够有效N极性AlN外延层进行有效腐蚀，而Al极性AlN外延层则不容易被腐蚀，因此，能够腐蚀去除N极性AlN外延层，继而降低位错。同时，N极性AlN外延层相对远离衬底的一侧较容易腐蚀，而越靠近衬底的N极性AlN外延层则并容易腐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化物半导体材料的制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成混合极性AlN外延层，所述混合极性AlN外延层由相互连接的多个混合极性AlN单元形成，每一混合极性AlN单元包括N极性AlN和设置在N极性AlN中心的Al极性AlN，Al极性AlN的厚度大于N极性AlN；在混合极性AlN外延层的Al极性AlN上形成合拢层以使多个Al极性AlN合拢。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物半导体材料的制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成混合极性AlN外延层，所述混合极性AlN外延层由相互连接的多个混合极性AlN单元形成，每一混合极性AlN单元包括N极性AlN和设置在N极性AlN中心的Al极性AlN，Al极性AlN的厚度大于N极性AlN；在混合极性AlN外延层的Al极性AlN上形成合拢层以使多个Al极性AlN合拢。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合极性AlN外延层的制备方法包括：采用铝源对衬底进行预处理；在预处理后的衬底上形成AlN外延层；对形成AlN外延层的衬底进行湿法腐蚀以去除部分N极性AlN；优选地，AlN外延层是同时向衬底上通入氮源和铝源进行沉积形成AlN外延层；优选地，通入的氮源和铝源的摩尔比为(100-1000):1，优选为(150-550):1，更优选为400:1；优选地，所述氮源为氨气，所述铝源为有机铝，优选为三甲基铝；优选地，沉积时，Al极性AlN外延层的生长速率小于5微米/小时，优选，小于2微米/小时，更优选为0.5-1.5微米/小时；N极性AlN外延层的生长速率小于4微米/小时，优选，小于1.5微米/小时，更优选为0.3-0.8微米/小时，且N极性AlN外延层的生长速率小于Al极性AlN外延层的生长速率，更优选地，N极性AlN外延层的生长速率和Al极性AlN外延层的生长速率差为0.5微米/小时；优选地，沉积的温度为1000-1500℃，优选为1300℃，且压力为0-200mbar，优选为50mbar。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，湿法腐蚀以去除部分N极性AlN包括：利用碱性物质处理所述AlN外延层形成具有Al极性AlN纳米柱的混合层；优选地，混合层包括残余N极性AlN外延层，残余的N极性AlN外延层的顶部与Al极性AlN纳米柱的顶部之间的高度差在300纳米以上；优选地，碱性物质为氢氧化物，优选为氢氧化钾或者氢氧化钠，更优选，所述氢氧化物为氢氧化物溶液。4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晨光，陈志涛，赵维，吴华龙，贺龙飞，张康，刘云洲，廖乾光，
申请(专利权)人：广东省半导体产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44