III族氮化物单/多层异质应变薄膜的制作方法本发明涉及半导体材料与器件，特别是指一种III族氮化物单/多层异
质应变薄膜的制作方法。
III族氮化物单/多层异质应变薄膜涉及以下内容：按材料分包括以氮
化镓，铟镓氮，铝镓氮为代表的III族氮化物；按生长方法分包括以金属有
机物化学气相沉积，分子束外延，氢化物气相外延等为代表的外延生长；
按外延材料种类分包括以禁带宽度不同，晶格不匹配材料为代表的异质
外延。按器件功能分则包括发光二极管、激光二极管等发光器件等等。
III族氮化物是一种带宽可调范围大的直接带隙半导体材料，因而有
广泛的应用前景。在光器件方面，主要应用于制作蓝光、绿光发光二极
管和激光器，以及光电探测器。发光二极管是在家用和工业中被广泛采
用的发光半导体器件。III族氮化物制作的超高亮度蓝光二极管有广阔的
应用前景：由于它的出现填补了三原色的不足，满足了制作全彩色户外
显示屏的需求；其功耗仅为普通白炽灯的10％，寿命可达10万小时
且亮度极高，这些特点决定了它必定要引发一场新的照明革命，将用于
普通照明，车灯，交通灯及仪器仪表显示等等。采用III族氮化物激光器
做激光头，可以使光盘的存储密度提高近四倍。文献(1、S.Nakamura.
M.Senoh，Jpn.J.Appl.Phys，34，L1332(1995)；2、S.Nakamura，M.Senoh，
J.Appl.Phys，35，L217(1996))对此有较详细的说明。在电子器件方面由于
III族氮化物禁带宽度大，可以应用于制作高温、大功率器件及高迁移率
器件，文献(3、M.A.Khan，Q.Chen，C.J.Sun，J.W.Yang，M.Blasingame，
M.S.Shur，and H.Park，Appl.Phys.Lett.68，514(1996))对此有较详细的说
明。由于市场前景广阔，III族氮化物是目前世界上研究的热点。
在以上各种器件中都会应用到氮化物单/多层异质应变薄膜结构，这
些结构在器件中可以作为活性层。当采用III族氮化物单/多层异质应变薄
膜做活性层时，一般采用单/多量子阱的形式，使电子、空穴束缚在量子
阱或垒中，从而提高复合率并且降低发光峰的半高宽。
III族氮化物单/多层异质结构都采用外延生长法，在某种衬底材料上
外延生长来获得。所采用的主要衬底有：蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化
镓(GaN)单晶、硅(Si)、砷化镓(GaAs)等等。这些不同的衬底都各
有优缺点。GaN单晶衬底的制作由于需要高温高压，导致制作成本高且
制作困难，目前还没有商业成品出售，即便有商用产品问世其价格也将
是极为高昂的。所以目前采用的都是在各种不同衬底上进行的异质外延。
SiC衬底和GaN外延层之间的晶格失配较小，但是其缺点仍然是价格过
于昂贵。Si作衬底虽然有一些潜在的优点，但由于是非极性材料，所以
在外延GaN时遇到一些困难。目前采用最广泛，应用得最成功的衬底材
料是蓝宝石。蓝宝石价格低廉，材料质量可靠，可以获得大批量的商用
产品。在上面可以外延生长出高质量的发光二极管和激光器。目前的发
光二极管、激光器中都含有(0001)晶面的III族氮化物单/多层异质
应变薄膜。
由于目前工艺中外延生长出的III族氮化物多层薄膜都是(0001)
面的。所以薄膜法线方向都与<0001>方向平行。由于以下原因会在
垂直III族氮化物(0001)晶面的方向上(也即外延层的生长方向上)
产生很大的压电场，(1)III族氮化物的压电系数大。如：氮化铟(InN)
的e31＝-0.37C/m2，GaN的压电系数为-0.22C/m2和-0.49C/m2，
氮化铝(AlN)的压电系数为-0.58C/m2和-0.6C/m2。(2)III族
氮化物单/多层异质结构都是由厚度为纳米量级的多层不同成分的二元或
三元化合物组成。不同化合物之间晶格常数相差大。如：GaN：a＝3.1
89埃，c＝5.185埃；AlN：a＝3.548埃，c＝5.760埃；InN：a＝
3.53埃，c＝5.69埃。由III族氮化物的晶格常数和化合物成分关系，
决定了当氮化物的成分稍有变化时，不同异质薄膜之间的晶格常数相差
会很大，于是导致异质薄膜间晶格不匹配，从而产生大的应变。(3)由
于六方氮化物属于6mm点群，当存在应变时，由应变产生的应力在<0
001>方向上将产生压电效应。压电效应会导致很大的压电场，压电场
的量级大致为MV/cm。
器件中出现应变异质薄层结构时，压电场的存在会引起许多问题，
主要的有：
1)由于压电场的存在，会将异质薄层中的能带扭曲，于是导带和
价带间的距离增大并且倾斜。这导致器件活性区内电子和空穴的空间分
离，从而使电子-空穴复合率下降，导致器件内量子效率下降，发光亮度
大为降低。
2)当器件工作时有载流子注入，注入的载流子会对压电场产生屏
蔽，使导带和价带间距缩小。这一机制在实用的发光器件中会引起发射
波长随着工作电压增大而蓝移的现象。乃至当电压不稳时会出现发光波
长波动的现象。
3)制作激光二极管时，需要先注入大量载流子去屏蔽压电场，导
致激光二极管阈值电压高。也因为同样的原因，将导致发光二极管的开
启电压升高。这些都不利于器件的使用。
本发明的目的在于，提供一种III族氮化物单/多层异质应变薄膜的制
作方法，其是制作不受压电场影响的III族氮化物多层应变异质薄膜结构，
用于发光器件的活性层；通过避免压电场的影响，为制作高亮度、发光
波长稳定、低阈值的发光器件服务。
本发明的技术方案为：一种III族氮化物单/多层异质应变薄膜的制作
方法，该方法包括如下制备步骤：
(1)在衬底上外延的III族氮化物晶体生长平面能够和(0001)
晶面垂直；
(2)在衬底材料上外延预定厚度的III族氮化物作为下一步外延生
长模板；
(3)在模板上外延生长预定结构的III族氮化物单/多层异质应变薄
膜，在垂直该外延薄膜平面的方向上没有压电场。
其中步骤(1)所说的衬底可以是异质衬底；例如可以采用(1
10
2)面蓝宝石做衬底，也可以是同质衬底，例如(11
20)(1
100)
面氮化镓基底等。
其中步骤(3)所说的预定结构的III族氮化物单/多层异质应变薄膜，
薄膜的<0001>方向与生长平面平行；薄膜可以采用垂直(0001)
面的任何一个晶面，通常是低指数面，在这些晶面上，III族氮化物单/多
层异质应变薄膜的<0001>方向与生长平面平行；例如：(11
20)
或(1100)晶面的单/多层异质应变薄膜的平面与<0001>方向
平行。
其中步骤(3)所说的应变薄膜可以是单层也可以是多层；相邻层
之间为不同材料。
为进一步说明本发明的方法步骤，以下结合实施例及附图，对本发
明作一详细的描述，其中：
图1是根据本发明实施例的III族氮化物单/多层异质应变薄膜的面
图。
图2是对样品进行的光致发光测试谱。
使III族氮化物单/多层异质应变薄膜的<0001>方向与生长平面
平行，于是在垂直多层薄膜表面的方向上就没有压电场，对器件性能不
会造成不良影响。在垂直(0001)面的任何一个晶面上，III族氮化
物单/多层异质应变薄膜中的压电场都和薄膜平行，例如：(11
20)或
(1
100)面的单/多层异质应变薄膜中，压电场都和薄膜平面平行，
而与<0001>方向垂直。这样压电场就不会产生不良影响。具体工艺
可以采用在(1
102)面蓝宝石上外延III族氮化物。在这些蓝宝石面上
外延的IH族氮化物生长面的晶面和(0001)面垂直。蓝宝石衬底和
氮化镓外延层之间的晶面和晶向间对应关系见表1。
表1
对应面
对应边
失配度
(0001)Al2O3∥(0001)GaN
C面蓝宝石
[01
10]Al2O3∥[2
110]GaN
[
2110]Al2O3∥[01
10]GaN
15.3％
15.3％
(11
20)Al2O3∥(0001)GaN
A面蓝宝石
[01
10]Al2O3∥[01
10]GaN
[0001]Al2O3∥[
2110]GaN
-0.4％
1.9％
(1
102)Al2O3∥(11
20)GaN
R面蓝宝石
[
2110]Al2O3∥[01
10]GaN
[01
11]Al2O3∥[0001]GaN
15.3％
1.1％
(0110)Al2O3∥(0001)GaN
M面蓝宝石
[2
110]Al2O3∥[0332]GaN
[0001]Al2O3∥[2
110]GaN
-2.6％
1.9％
也可以采用其他衬底(如(11
20)(1
100)面氮化镓基底等)，
在上面外延生长III族氮化物器件。只要使压电场和外延薄膜平面平行即
可。
为了更好的说明本发明的意义，下面对以上所提到的词汇做进一步
解释。
所说的“III族氮化物”，包括氮化镓，氮化铟，氮化铝，氮化铟镓，
氮化铝镓。
所说的“异质”，指的是两种成分不同的半导体材料。两者最本质的
区别是禁带宽度不同，即两种半导体材料中，导带底的能量之间或价带
顶之间的能量之间有一个能量差。
所说的“应变”含义如下：当两种不同的材料之间存在晶格失配时，
如果把两种晶格失配材料的薄膜接合在一起(无论是采用外延生长还是
键合技术等方法)，在结合的界面处材料会产生一个应变，于是晶格常数
大的材料会被压缩，而晶格常数小的材料会被拉伸，存在应变的材料中
会存在弹性应力。当薄膜的厚度小于一定的临界厚度时，整个薄膜都处
于应变状态中，应力分布于整个薄膜层中。
所说的“单/多层薄膜”含义如下：单层薄膜是指一层和界面两边材
料都不同的薄膜。多层薄膜则是指数层薄膜结构，每层薄膜由不同材料
构成。
制备并采用一种III族氮化物单/多层异质应变薄膜，该方法包括如下
步骤：
1.在衬底上外延的材料生长平面和(0001)面垂直，该衬底
材料可以是任何衬底材料，只要使在该衬底上外延的III族氮化物生长平
面和(0001)面垂直即可。
2.在衬底材料上外延预定厚度的氮化镓作为下一步外延生长的模
板。
3.再外延生长预定结构的III族氮化物单/多层异质应变薄膜，该异
质薄膜可以采用单层或多层结构；相邻层之间为不同材料。
III族氮化物单/多层异质应变薄膜在器件设计中可以用于活性发光
层。一个器件中可以采用一次或数次。
实施例：
请参阅图1，是本实施例的III族氮化物单/多层异质应变薄膜的面图。
该结构的制备方法包括以下过程：
1.采用(1
102)面蓝宝石(R-Al2O3)1作衬底。
2.在(1
102)面蓝宝石衬底上外延生长一层氮化镓的缓冲层2，
缓冲层10-200nm厚，生长温度是450-600℃。
3.在缓冲层上生长一定厚度的氮化镓3，生长温度1000-
1100℃，厚度为0.5-10微米。
4.在氮化镓模板上生长III族氮化物单/多层异质结构4，具体生长
条件及多层膜的结构视所设计的结构而定。
步骤1中的衬底除(1
102)面蓝宝石(R-Al2O3)外，晶面垂直
(0001)面的氮化镓(GaN)单晶，硅单晶(Si)，尖晶石(MgAl2O4)，
碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)，氧化锌(ZnO)，硅上生长氧化铝复合衬
底(Al2O3/Si)、硅上生长氮化铝复合衬底(AlN/Si)、硅上生长氧化锌复
合衬底(ZnO/Si)和AlN/SiC等等各种复合衬底。总之，只要能够使在
该衬底上外延的III族氮化物单/多层异质应变薄膜的平面和<0001>方
向平行即可。虽然在多种衬底上外延都可以得到同样的效果，我们认为
目前以(1
102)面蓝宝石做衬底最好，该衬底和其他衬底相比具有廉价，
易于获得的优点。
步骤2-4中各材料的外延生长方法采用MOVPE方法是目前最好的
方式。
步骤4中的III族氮化物单/多层异质应变薄膜可以是单层也可以是多
层，层数不限，每一层厚度为1纳米到500纳米。不同层之间可以为
不同材料，例如图中所标示的A、B、C分别表示不同的异质材料层；不
同层之间也可以为相同材料。例如A层和C层相同又与B层不同，从而
构成一个双异质结构。该III族氮化物单/多层异质应变薄膜的生长平面和
<0001>方向平行。于是在垂直平面的方向上就没有压电场的存在。
当以这样的III族氮化物单/多层异质应变薄膜作为发光器件的活性层时，
可以避免垂直薄膜平面的压电场导致的不良影响。制作的发光器件将会
具有高的发光效率，稳定的发光波长和低的开启电压(阈值电压)。
图2是对我们所制作的一个样品进行的光致发光测试谱。样品是在
(1
102)面蓝宝石(R-Al2o3)上外延生长(1120)晶面的GaN/InGaN
多层薄膜，这种多层薄膜构成了多量子阱，可以作为发光器件的发光层。
从测试结果可以看出在激发强度增大两个数量级的情况下，发光谱的波
长并未改变。而同样结构的多层薄膜如果在(0001)面蓝宝石上外
延生长，那么所得到的样品其光致发光峰会随着激发强度的变化而移动。
与现有技术相比，该发明具有以下意义：
在以往的氮化镓(蓝色和绿色)发光二极管和激光二极管制备中，
采用都是(0001)晶面的材料。器件活性层中采用的III族氮化物多
层薄膜也都是(0001)面的。所以薄膜法线方向都与<0001>方
向平行。在垂直III族氮化物(0001)晶面的方向上(也即外延层的
生长方向上)存在很大的压电场。压电场的存在会引起许多问题，主要
的有：
1)由于压电场的存在，会将异质薄层中的能带扭曲，于是导带和
价带间的距离增大并且倾斜。这导致器件活性区内电子和空穴的空间分
离，从而使电子-空穴复合率下降，导致器件内量子效率下降，发光亮度
大为降低。
2)当器件工作时有载流子注入，注入的载流子会对压电场产生屏
蔽，使导带和价带间距缩小。这一机制在实用的发光器件中会引起发射
波长随着工作电压增大而蓝移的现象。乃至当电压不稳时会出现发光波
长波动的现象。
3)制作激光二极管(LD)时，需要先注入大量载流子去屏蔽压电
场，导致LD阈值电压高。也因为同样的原因，将导致发光二极管(LED)
的开启电压升高。这些都不利于器件的使用。相比之下，本发明避免了
压电场的不良影响。采用本发明做活性层的发光器件将会具有高的发光
效率，稳定的发光波长和低的开启电压(阈值电压)。