本發(fā)明特別涉及一種半極性aln模板，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的aln及其合金的禁帶覆蓋了200～365nm的紫外光譜范圍，是制備深紫外光電器件和高頻大功率器件的理想材料。然而，aln基材料通常是沿著極性軸—c軸方向生長(zhǎng)的，使得aln及其合金在[0001]方向具有很強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化。這種極化效應(yīng)在氮化物外延層中會(huì)產(chǎn)生較高強(qiáng)度的內(nèi)建電場(chǎng)，引起能帶彎曲、傾斜，使電子和空穴在空間上分離，大大降低了aln基光電器件的發(fā)光效率。因此人們嘗試通過(guò)各種手段降低極化電場(chǎng)改善發(fā)光器件性能。其中半極性材料由于其內(nèi)建電場(chǎng)與生長(zhǎng)軸方向并不平行，可以顯著地減少極化效應(yīng)，因此得到了廣泛的關(guān)注。

目前質(zhì)量最好的半極性aln材料是由c向aln厚膜中切下來(lái)的。然而，利用這種方法獲得的aln材料的尺寸非常有限，這迫使研究人員開(kāi)始嘗試在藍(lán)寶石、碳化硅等非c面的異質(zhì)襯底上外延半極性aln材料，但是這種技術(shù)困難重重，且aln的結(jié)晶質(zhì)量很差、位錯(cuò)密度很高，嚴(yán)重制約了aln基光電器件的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種半極性aln模板，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種半極性aln模板，其具有半極性顯露面，并且包含有孿晶結(jié)構(gòu)或孿晶結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述的半極性aln模板包括：形成于aln基材顯露面上的孿晶結(jié)構(gòu)或孿晶結(jié)構(gòu)，所述aln基材為[0001]取向的，且顯露面為或以及，形成于所述孿晶結(jié)構(gòu)或孿晶結(jié)構(gòu)上的、取向的aln材料。

進(jìn)一步的，所述aln基材形成于襯底上。

進(jìn)一步的，所述襯底包括藍(lán)寶石襯底，例如可優(yōu)選為c面藍(lán)寶石，但不限于此。

進(jìn)一步的，所述襯底包括sic襯底。

進(jìn)一步的，所述孿晶結(jié)構(gòu)或孿晶結(jié)構(gòu)與aln基材之間形成有鋸齒狀界面。

進(jìn)一步的，所述aln基材的截面為等腰三角形，當(dāng)所述三角形的底角為51°～71°時(shí)，在三角形的腰部形成aln孿晶結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述aln基材的截面為等腰三角形，當(dāng)所述三角形的底角為22°～42°時(shí)，在三角形的腰部形成aln孿晶結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種制備半極性aln模板的方法，其包括：于襯底上生長(zhǎng)aln，并誘導(dǎo)產(chǎn)生aln孿晶結(jié)構(gòu)或孿晶結(jié)構(gòu)，使aln的生長(zhǎng)取向轉(zhuǎn)變?yōu)?imgfile="bda0000939248910000025.gif"wi="182"he="86"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>進(jìn)而獲得半極性aln模板。

在一些實(shí)施方案中，所述制備半極性aln模板的方法包括：

在襯底上生長(zhǎng)形成[0001]取向的aln基材，并使所述aln基材的顯露面為或

在所述aln基材上繼續(xù)生長(zhǎng)aln，并形成aln孿晶結(jié)構(gòu)或aln孿晶結(jié)構(gòu)，使aln的生長(zhǎng)取向轉(zhuǎn)變?yōu)?imgfile="bda00009392489100000210.gif"wi="190"he="84"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>

進(jìn)一步的，所述aln基材的截面為等腰三角形，當(dāng)所述三角形的底角約61°左右時(shí)，在三角形的腰部形成aln孿晶結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述aln基材的截面為等腰三角形，當(dāng)所述三角形的底角約32°左右時(shí)，在三角形的腰部形成aln孿晶結(jié)構(gòu)。

在一些實(shí)施方案中，所述制備半極性aln模板的方法包括：將c面藍(lán)寶石襯底置于氫化物氣相外延設(shè)備中，以hcl和nh3作反應(yīng)氣體、h2和n2為載氣，設(shè)置生長(zhǎng)溫度為1200℃～1600℃，沉積形成厚度為300nm～3μm的[0001]取向的aln基材，并使所述aln基材的顯露面為或

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少在于：

(1)本發(fā)明的半極性aln模板可直接選用c面藍(lán)寶石或sic等作為襯底形成，而不需要r面藍(lán)寶石，不僅可以減少aln外延層中的層錯(cuò)，且成本低廉，并具有較高質(zhì)量。

(2)本發(fā)明的半極性aln模板的制備方法可以減少aln外延層中的層錯(cuò)，且通過(guò)在aln生長(zhǎng)初期誘導(dǎo)產(chǎn)生或孿晶結(jié)構(gòu)，均可以使aln的生長(zhǎng)取向由[0001]轉(zhuǎn)變?yōu)?imgfile="bda00009392489100000217.gif"wi="186"he="84"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>這使得生長(zhǎng)窗口更為寬泛、生長(zhǎng)條件更易控制，同時(shí)只需一步生長(zhǎng)，無(wú)需改變生長(zhǎng)條件，就能使后續(xù)的aln保持沿半極性方向生長(zhǎng)，從而避免了二次污染，有利于獲得高質(zhì)量的半極性aln模板。

附圖說(shuō)明

圖1a是本發(fā)明一實(shí)施例中所獲aln厚膜的xrd2θ/ω掃描圖；

圖1b是本發(fā)明一實(shí)施例中所獲aln厚膜的tem截面圖；

圖1c是圖1b所示鋸齒層的選區(qū)電子衍射圖；

圖1d和圖1e分別是晶柱a、b的選區(qū)電子衍射圖；

圖2a是本發(fā)明一實(shí)施例中鋸齒層和柱狀層界面處的放大圖；

圖2b是本發(fā)明一實(shí)施例中鋸齒層和柱狀層左、右側(cè)界面的選區(qū)電子衍射圖；

圖2c是圖2b所示右側(cè)界面的高分辨電子衍射圖；

圖2d是圖2b所示左側(cè)界面的高分辨電子衍射圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中ecs(equilibriumcrystalshape)模型圖；

圖4a是本發(fā)明另一實(shí)施例中sic襯底上側(cè)向外延生長(zhǎng)的aln厚膜的xrd2θ/ω掃描圖；

圖4b是aln厚膜的tem截面像；

圖4c-圖4d分別為左側(cè)界面的選區(qū)電子衍射和高分辨透射電子像；

圖4e-圖4f分別為右側(cè)界面的選區(qū)電子衍射和高分辨電子衍射像；

圖5a是aln厚膜的截面像；

圖5b是aln厚膜的xrd2θ/ω掃描圖；

圖5c-圖5d分別為左、右側(cè)界面的選區(qū)電子衍射圖；

圖5e是三角形和晶柱間界面的高分辨電子衍射像；

圖6a-圖6b是分別通過(guò)孿晶實(shí)現(xiàn)半極性aln生長(zhǎng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。但是，本發(fā)明可以通過(guò)許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不限于下面所描述的實(shí)施方式。相反地，提供這些實(shí)施方式的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容理解的更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

本發(fā)明的一典型實(shí)施例提供的一種半極性aln模板的制備方法，包括：

(1)將2英寸的c面藍(lán)寶石襯底放置于hvpe(氫化物氣相外延)設(shè)備中，以hcl和nh3作反應(yīng)氣體、h2和n2為載氣。

(2)設(shè)置生長(zhǎng)溫度為1200℃～1600℃,首先沉積300nm～3μm的[0001]取向的aln基材，該aln基材的顯露面為或

(3)若上述aln基材的截面為等腰三角形，若三角形的底角為61°左右，在三角形的腰部形成aln孿晶結(jié)構(gòu)；若三角形的底角為32°左右，在三角形的腰部形成aln孿晶結(jié)構(gòu)。

(4)基于孿晶能夠改變晶體生長(zhǎng)取向的特性，根據(jù)幾何關(guān)系，無(wú)論形成哪一種孿晶，aln的生長(zhǎng)取向均可以轉(zhuǎn)變?yōu)?imgfile="bda0000939248910000036.gif"wi="189"he="85"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>在此基礎(chǔ)上繼續(xù)生長(zhǎng)就可以獲得半極性aln模板。

請(qǐng)參閱圖1a-圖1d，本發(fā)明實(shí)施例中，在c向藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的aln厚膜， 通過(guò)孿晶生長(zhǎng)模式，生長(zhǎng)取向由初始的[0001]轉(zhuǎn)變成其中，圖1a是所述aln厚膜的xrd2θ/ω掃描圖，圖1b是所述aln厚膜的tem截面圖，可以看到aln厚膜包含鋸齒層和柱狀層。圖1c是圖1b所示鋸齒層的選區(qū)電子衍射圖。圖1d和圖1e分別是晶柱a、b的選區(qū)電子衍射圖。

再請(qǐng)參閱圖2a是本實(shí)施例中鋸齒層和柱狀層界面處的放大圖。圖2b是本實(shí)施例中鋸齒層和柱狀層左、右側(cè)界面的選區(qū)電子衍射圖，這兩個(gè)界面均為孿晶界。圖2c是圖2b所示右側(cè)界面的高分辨電子衍射像，說(shuō)明此處為共格孿晶界。圖2d是圖2b所示左側(cè)界面的高分辨電子衍射像，說(shuō)明此處為非共格孿晶界。

在本發(fā)明中，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)取向轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點(diǎn)是孿晶界的形成。由于孿晶界是在顯露面上形成的，因此生成第一層鋸齒層是必要的。這個(gè)過(guò)程中，晶面的表面自由能與生長(zhǎng)溫度有關(guān)，例如，某個(gè)晶面的表面自由能如下：

其中γ(m,t)是單位面積的表面自由能，它是溫度t和晶體取向m的函數(shù)。

請(qǐng)參閱圖3示出了晶體生長(zhǎng)隨溫度變化的演化過(guò)程。其中，對(duì)于在c面藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的aln，當(dāng)生長(zhǎng)溫度足夠高時(shí)，(0001)晶面的表面自由能最低，因此成為顯露面。當(dāng)溫度下降的時(shí)候，晶面的表面自由能會(huì)下降。若生長(zhǎng)溫度降低到一定程度，晶面的表面自由能會(huì)低于晶面。此時(shí)表明雖然晶粒仍沿[0001]方向生長(zhǎng)，但是其顯露面已不再是(0001)晶面。特別是，在本實(shí)施例中，當(dāng)生長(zhǎng)溫度低于1390℃時(shí)，晶面取代(0001)晶面成為顯露面。此樣品的實(shí)際生長(zhǎng)溫度為1300℃，低于臨界值1390℃。請(qǐng)參閱圖3中a-d示出了本實(shí)施例中ecs(equilibriumcrystalshape)模型。該圖3中，a示出了當(dāng)生長(zhǎng)溫度足夠高的時(shí)候，aln沿著[0001]方向生長(zhǎng)，且顯露面為(0001)晶面，b示出了當(dāng)生長(zhǎng)溫度降低時(shí)，其他的晶面逐漸取代(0001)成為顯露面，c示出了當(dāng)溫度低于1390℃時(shí)，晶面成為顯露面，d示出了在顯露面的基礎(chǔ)上形成了孿晶界。

進(jìn)而，若aln繼續(xù)在顯露面上生長(zhǎng)，其c方向不再沿著z向。顯然，若后續(xù)的晶體改變生長(zhǎng)取向，勢(shì)必會(huì)形成大角度晶界，而這就會(huì)顯著增加晶體的能量。與普通晶界相比，孿晶界的能量明顯更低。實(shí)際上，共格孿晶界的能量只有普通晶界能量的1/10，非共格孿晶界的能量是普通晶界能量的1/2。因此，在顯露面上形成孿晶界可以使晶體的能量保持最小，從而使晶體最穩(wěn)定。 在纖鋅礦體系中可能的孿晶結(jié)構(gòu)有和孿晶。顯露面的存在為孿晶的形成提供了基礎(chǔ)。優(yōu)選的，在顯露面上形成孿晶面，既可使晶體保持最低能量、維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，也滿足現(xiàn)有的幾何條件。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，前述藍(lán)寶石襯底亦可替換為sic襯底。請(qǐng)參閱圖4a是本實(shí)施例中在sic襯底上側(cè)向外延生長(zhǎng)的aln厚膜的xrd2θ/ω掃描圖，表明該樣品同時(shí)包含(0001)和晶向。圖4b示出了aln厚膜的tem截面像；圖4c-圖4d分別為左側(cè)界面的選區(qū)電子衍射和高分辨透射電子像；圖4e-圖4f分別為右側(cè)界面的選區(qū)電子衍射和高分辨電子衍射像，兩個(gè)界面均為孿晶界。圖5a是本實(shí)施例所獲aln厚膜的截面圖像。圖5b是所述aln厚膜的xrd2θ/ω掃描圖，表明該樣品中同時(shí)含有(0001)和晶向。圖5c-圖5d分別為左、右側(cè)界面的選區(qū)電子衍射圖像，說(shuō)明初始形成的是孿晶界。圖5e是三角形和晶柱間界面的高分辨電子衍射像，進(jìn)一步說(shuō)明形成了共格孿晶界。

本發(fā)明提供的方法通過(guò)使aln產(chǎn)生孿晶結(jié)構(gòu)，利用孿晶結(jié)構(gòu)具有改變晶體生長(zhǎng)取向的特性，參閱圖6a-圖6b所示分別是通過(guò)孿晶實(shí)現(xiàn)半極性aln生長(zhǎng)的示意圖。當(dāng)aln中出現(xiàn)或孿晶結(jié)構(gòu)以后，aln的生長(zhǎng)取向自然地由[0001]轉(zhuǎn)變?yōu)?imgfile="bda00009392489100000515.gif"wi="186"he="84"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>保持生長(zhǎng)條件不變，后續(xù)既可以獲得取向的半極性aln模板，又能夠避免多步生長(zhǎng)對(duì)樣品造成的污染。并且，該生長(zhǎng)過(guò)程無(wú)需昂貴的r面藍(lán)寶石，而可直接選用c面藍(lán)寶石成本低廉，有利于獲得高質(zhì)量的半極性aln模板。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明。在上面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于上面描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進(jìn)，因此本發(fā)明不受上面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。并且，以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書(shū)記載的范圍。綜上所述，應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出復(fù)數(shù)個(gè)變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。