本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體地涉及一種基于梯度疊層緩沖層薄膜的外延生長(zhǎng)almga1-mn的方法。

背景技術(shù)：

iii-v族氮化物的外延生長(zhǎng)是利用有機(jī)金屬氣相外延技術(shù)(mocvd)或分子束外延沉積(mbe)在異質(zhì)襯底如藍(lán)寶石表面外延沉積。因?yàn)榈锱c藍(lán)寶石晶格失配、熱應(yīng)力失配較大，因此在金屬有機(jī)物氣相外延(mocvd)高溫外延生長(zhǎng)(>1000℃)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)和因應(yīng)力而導(dǎo)致的薄膜龜裂。因此為了提高氮化物外延晶體的質(zhì)量，主流方法采用mocvd原位沉積(in-situ)一層低溫(500-800℃)aln薄膜，用以改變襯底表面能，緩解應(yīng)力，并為后續(xù)的mocvd外延生長(zhǎng)提供合適形核位置。然而，mocvd原位緩沖層的生長(zhǎng)條件對(duì)晶體質(zhì)量影響巨大，在成核期間生長(zhǎng)參數(shù)的輕微變化都會(huì)導(dǎo)致形核晶粒的扭曲或偏移，影響隨后氮化物層的質(zhì)量。另外，此方法需要額外的升溫、原位緩沖層生長(zhǎng)、高溫退火等過(guò)程，耗費(fèi)mocvd的寶貴機(jī)時(shí)。

針對(duì)這一問(wèn)題，美國(guó)appliedmaterialsinc公司等提出了使用物理氣相沉積(pvd)，特別是磁控濺射的方法在藍(lán)寶石襯底上沉積aln緩沖層，并以此為新的襯底進(jìn)行后續(xù)mocvd器件外延生長(zhǎng)的方式。由于pvd外延生長(zhǎng)的溫度(<900℃)小于mocvd的外延溫度(>1000℃)，且pvd使用的反應(yīng)物前驅(qū)體為金屬鋁和氮?dú)?，無(wú)論從運(yùn)行成本、時(shí)間還是從產(chǎn)品的穩(wěn)定性上，均好于mocvd，因此，這種“非原位”aln緩沖層的生長(zhǎng)方式可以為led芯片制造商節(jié)約大量的成本和工藝時(shí)間，使其能夠?qū)Ｗ⒂趯ocvd生長(zhǎng)應(yīng)用于led的電流擴(kuò)展層和有源層，而非緩沖層。目前該技術(shù)主要見(jiàn)諸于gan外延薄膜的生長(zhǎng)以及gan基可見(jiàn)光led、功率器件上。使用該技術(shù)能夠減少gan材料內(nèi)缺陷、提高led發(fā)光功率或降低gan功率器件的漏電流等。

但是，aln緩沖層雖然能夠?yàn)橥庋颖∧ぬ峁┹^好的晶格匹配和形核，但因aln外延薄膜3d生長(zhǎng)的機(jī)理所決定，aln外延薄膜應(yīng)力得不到釋放，易產(chǎn)生裂紋和粗糙表面。具體分析而言，與ga原子不同，al原子的表面擴(kuò)散自由程很小，附著系數(shù)較高，因此aln薄膜生長(zhǎng)中形核密度較大，薄膜趨向于三維生長(zhǎng)，產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和晶界，嚴(yán)重影響薄膜的晶體質(zhì)量和紫外光電和電子器件的性能。因此，在外延生長(zhǎng)aln薄膜中，必須提高外延生長(zhǎng)的溫度從而促進(jìn)al原子的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)密度的降低。不幸的是，溫度升高帶來(lái)的直接后果是熱應(yīng)力不匹配而導(dǎo)致的薄膜龜裂。這是因?yàn)樗{(lán)寶石的膨脹系數(shù)為5×10^-6k^-1,gan的熱膨脹系數(shù)為5.59×10^-6k^-1,而aln的熱膨脹系數(shù)僅為2.9×10^-6k^-1。aln與藍(lán)寶石接近2倍的熱膨脹系數(shù)差別導(dǎo)致了薄膜在降低至常溫時(shí)大量裂紋的產(chǎn)生。因此，通常情況下，位錯(cuò)密度與薄膜的裂紋密度成反比關(guān)系。這是因?yàn)閼?yīng)力松弛必然是基于額外位錯(cuò)的產(chǎn)生?；诖耍瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)aln外延薄膜晶體質(zhì)量的提升和表面形貌的改善一直是本領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種含位錯(cuò)密度和薄膜裂紋密度得到綜合改善的iii-v族氮化物(almga1-mn(0≤m≤1))外延薄膜的復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明的第一方面，提供了一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含：

1)襯底，所述襯底為藍(lán)寶石襯底；

2)緩沖層，所述緩沖層復(fù)合于所述襯底表面，且所述緩沖層具有梯度變化的組成alxga1-xn，其中，在與所述襯底結(jié)合處x＝x0且x0＝0-0.5，在遠(yuǎn)離所述襯底的所述緩沖層的表面處x＝x1且x1＝0.5－1；

3)外延薄膜，所述外延薄膜結(jié)合于所述緩沖層表面，且所述外延薄膜的組成為almga1-mn，其中，m＝0-1。

在另一優(yōu)選例中，所述襯底的厚度為50－1000μm，較佳地200－600μm；和/或

所述襯底的直徑為10mm－150mm，較佳地20mm－80mm。

在另一優(yōu)選例中，所述緩沖層的厚度為10-500nm，較佳地15-300nm，更佳地20-150nm。

在另一優(yōu)選例中，所述“復(fù)合”為物理復(fù)合或化學(xué)鍵合。

在另一優(yōu)選例中，所述緩沖層中，x0＝0-0.4，較佳地0.1-0.3，更佳地0.1-0.2；和/或

x1＝0.6－1，較佳地0.7-0.9，更佳地0.7-0.8。

在另一優(yōu)選例中，所述緩沖層是采用選自下組的方法制備的：磁控濺射、金屬有機(jī)物氣相外延沉積(mocvd)、分子束外延沉積(mbe)。

在另一優(yōu)選例中，所述外延薄膜的厚度為10-10000nm，較佳地30-6000nm，更佳地50-4000nm。

在另一優(yōu)選例中，在所述外延薄膜中，m＝0.2-1，較佳地0.4-0.8，更佳地0.5-0.7。

在另一優(yōu)選例中，所述“結(jié)合”為物理結(jié)合或化學(xué)鍵合。

在另一優(yōu)選例中，所述外延薄膜是采用選自下組的方法制備的：mocvd、mbe。

在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料具有選自下組的一個(gè)或多個(gè)特征：

1)所述外延薄膜的螺位錯(cuò)密度≤2×10⁸cm^-2，較佳地≤1×10⁸cm^-2；

2)所述外延薄膜的刃位錯(cuò)密度≤5×10⁹cm^-2，較佳地≤3×10⁹cm^-2，更佳地≤1×10⁹cm^-2；

3)所述外延薄膜的表面裂紋密度≤100cm^-2，較佳地≤10cm^-2，更佳地≤3cm^-2；

4)所述外延薄膜的表面粗糙度均方根≤1nm，較佳地≤0.5nm，更佳地≤0.3nm。

本發(fā)明的第二方面，提供了一種制備本發(fā)明第一方面所述復(fù)合材料的方法，所述方法包括如下步驟：

1)提供藍(lán)寶石襯底；

2)在所述藍(lán)寶石襯底表面制備組成梯度變化的緩沖層alxga1-xn，其中，在與所述襯底結(jié)合處x＝x0且x0＝0-0.5，在遠(yuǎn)離所述襯底的所述緩沖層的表面處x＝x1且x1＝0.5－1；

3)在所述緩沖層表面生長(zhǎng)外延薄膜almga1-mn，其中，m＝0-1，得到本發(fā)明第一方面所述復(fù)合材料。

在另一優(yōu)選例中，在步驟2)制備所述緩沖層的過(guò)程中，所述襯底的溫度是逐漸升高的。

在另一優(yōu)選例中，在步驟2)制備所述緩沖層的過(guò)程中，所述襯底的溫度范圍為300-900℃，較佳地450-800℃。

在另一優(yōu)選例中，在步驟3)中，所述生長(zhǎng)在1000-1300℃下進(jìn)行，較佳地1050-1250℃。

在另一優(yōu)選例中，所述梯度變化的緩沖層alxga1-xn是采用選自下組的方法制備的：磁控濺射、mocvd、mbe；和/或

所述外延薄膜almga1-mn是采用選自下組的方法制備的：mocvd、mbe。

本發(fā)明的第三方面，提供了一種本發(fā)明第一方面所述復(fù)合材料的用途，用于制備光電器件或功率器件。

本發(fā)明的第四方面，提供了一種光電器件或功率器件，所述器件包含本發(fā)明第一方面所述復(fù)合材料。

在另一優(yōu)選例中，所述器件包含：

i)本發(fā)明第一方面所述復(fù)合材料，和

ii)結(jié)合于所述復(fù)合材料表面的選自下組的組件：金屬電極、封裝材料、電極引線、導(dǎo)熱基板。

應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述光電器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為基于普通20nm厚aln緩沖層襯底與基于實(shí)施例1中100nmalxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)3微米aln外延薄膜得到的xrd半峰寬數(shù)值(圖2(a))以及經(jīng)計(jì)算得到的位錯(cuò)密度對(duì)比(圖2(b))。

圖3為基于普通20nm厚aln緩沖層襯底與基于實(shí)施例1中100nmalxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)3微米aln外延薄膜得到的afm形貌，其中，圖3(a)對(duì)應(yīng)于普通20nmaln緩沖層襯底，圖3(b)對(duì)應(yīng)于實(shí)施例1中100nmalxga1-xn組分漸變緩沖層襯底。

圖4為基于mocvd原位aln緩沖層襯底和基于不同厚度的磁控濺射alxga1-xn襯底外延生長(zhǎng)2微米gan薄膜的(002)和(102)半峰寬對(duì)比圖。

圖5為基于mocvd原位aln緩沖層襯底和基于50nm磁控濺射algan襯底外延生長(zhǎng)2微米gan薄膜的光學(xué)顯微鏡表面形貌圖，其中，圖5(a)對(duì)應(yīng)于基于mocvd原位aln緩沖層襯底，圖5(b)對(duì)應(yīng)于基于50nm磁控濺射algan襯底。

圖6為基于30nm磁控濺射alxga1-xn襯底外延生長(zhǎng)600nmal0.6ga0.4n外延薄膜的002搖擺曲線圖(左圖)以及afm形貌圖(右圖)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期而深入的研究，通過(guò)在藍(lán)寶石襯底表面制備成分梯度變化的alxga1-xn(0≤x≤1)緩沖層后再外延生長(zhǎng)iii-v族氮化物(almga1-mn(0≤m≤1))薄膜，可獲得位錯(cuò)密度、薄膜裂紋密度和薄膜表面粗糙度得到綜合改善的iii-v族氮化物(almga1-mn(0≤m≤1))外延薄膜，從而獲得晶體質(zhì)量、薄膜完整性和表面形貌平衡提升的復(fù)合材料，進(jìn)而全面提升包含所述復(fù)合材料的光電器件或功率器件的性能。所述方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)品良率高等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人完成了本發(fā)明。

復(fù)合材料

本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含：

1)襯底，所述襯底為藍(lán)寶石襯底；

2)緩沖層，所述緩沖層復(fù)合于所述襯底表面，且所述緩沖層具有梯度變化的組成alxga1-xn，其中，在與所述襯底結(jié)合處x＝x0且x0＝0-0.5，在遠(yuǎn)離所述襯底的所述緩沖層的表面處x＝x1且x1＝0.5－1；

3)外延薄膜，所述外延薄膜結(jié)合于所述緩沖層表面，且所述外延薄膜的組成為almga1-mn，其中，m＝0-1。

應(yīng)理解，在本發(fā)明中，所述襯底的厚度和/或直徑?jīng)]有特別限制，可根據(jù)實(shí)際需要在很大范圍內(nèi)變化。

在另一優(yōu)選例中，所述襯底的厚度為50－1000μm，較佳地200－600μm；和/或

所述襯底的直徑為10mm－150mm，較佳地20mm－80mm。

在本發(fā)明中，所述緩沖層的厚度為10-500nm，較佳地15-300nm，更佳地20-150nm。

在另一優(yōu)選例中，所述“復(fù)合”為物理復(fù)合或化學(xué)鍵合。

在本發(fā)明中，所述緩沖層中，x0＝0-0.4，較佳地0.1-0.3，更佳地0.1-0.2；和/或

x1＝0.6－1，較佳地0.7-0.9，更佳地0.7-0.8。

在另一優(yōu)選例中，所述緩沖層是采用選自包括(但并不限于)下組的方法制備的：磁控濺射、金屬有機(jī)物氣相外延沉積(mocvd)、分子束外延沉積(mbe)。

在本發(fā)明中，所述外延薄膜的厚度為10-10000nm，較佳地30-6000nm，更佳地50-4000nm。

在本發(fā)明中，在所述外延薄膜中，m＝0.2-1，較佳地0.4-0.8，更佳地0.5-0.7。

在另一優(yōu)選例中，所述“結(jié)合”為物理結(jié)合或化學(xué)鍵合。

在另一優(yōu)選例中，所述外延薄膜是采用選自包括(但并不限于)下組的方法制備的：mocvd、mbe。

在本發(fā)明中，所述復(fù)合材料具有選自包括(但并不限于)下組的一個(gè)或多個(gè)特征：

1)所述外延薄膜的螺位錯(cuò)密度≤2×10⁸cm^-2，較佳地≤1×10⁸cm^-2；

2)所述外延薄膜的刃位錯(cuò)密度≤5×10⁹cm^-2，較佳地≤3×10⁹cm^-2，更佳地≤1×10⁹cm^-2；

3)所述外延薄膜的表面裂紋密度≤100cm^-2，較佳地≤10cm^-2，更佳地≤3cm^-2；

4)所述外延薄膜的表面粗糙度均方根≤1nm，較佳地≤0.5nm，更佳地≤0.3nm。

制備方法和應(yīng)用

本發(fā)明還提供了一種制備所述復(fù)合材料的方法，所述方法包括如下步驟：

1)提供藍(lán)寶石襯底；

2)在所述藍(lán)寶石襯底表面制備組成梯度變化的緩沖層alxga1-xn，其中，在與所述襯底結(jié)合處x＝x0且x0＝0-0.5，在遠(yuǎn)離所述襯底的所述緩沖層的表面處x＝x1且x1＝0.5－1；

3)在所述緩沖層表面生長(zhǎng)外延薄膜almga1-mn，其中，m＝0-1，得到所述復(fù)合材料。

在另一優(yōu)選例中，在步驟2)制備所述緩沖層的過(guò)程中，所述襯底的溫度是逐漸升高的。

在另一優(yōu)選例中，在步驟2)制備所述緩沖層的過(guò)程中，所述襯底的溫度范圍為300-900℃，較佳地450-800℃。

在另一優(yōu)選例中，在步驟3)中，所述生長(zhǎng)在1000-1300℃下進(jìn)行，較佳地1050-1250℃。

在本發(fā)明中，所述梯度變化的緩沖層alxga1-xn是采用選自包括(但并不限于)下組的方法制備的：磁控濺射、mocvd、mbe；和/或

所述外延薄膜almga1-mn是采用選自包括(但并不限于)下組的方法制備的：mocvd、mbe。

具體地，本發(fā)明提供了一種基于梯度疊層緩沖層薄膜alxga1-xn的外延生長(zhǎng)almga1-mn(0≤m≤1)外延薄膜的方法，通過(guò)沉積組分漸變的緩沖層薄膜alxga1-xn，在該緩沖層薄膜的上表面和下表面同時(shí)實(shí)現(xiàn)晶格匹配和熱應(yīng)力匹配，因而既能降低外延薄膜(如aln)的位錯(cuò)密度，又能改善該外延薄膜的表面形貌，防止該外延薄膜龜裂的產(chǎn)生。

本發(fā)明還提供了一種所述復(fù)合材料的用途，用于制備光電器件或功率器件。

本發(fā)明還提供了一種光電器件或功率器件，所述器件包含所述復(fù)合材料。

在另一優(yōu)選例中，所述器件包含：

i)所述復(fù)合材料，和

ii)結(jié)合于所述復(fù)合材料表面的選自包括(但并不限于)下組的組件：金屬電極、封裝材料、電極引線、導(dǎo)熱基板。

圖1為本發(fā)明所述光電器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體地，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)具體描述如下：

1)如示意圖所示，藍(lán)寶石襯底之上為alxga1-xn(0≤x≤1)組分漸變的緩沖層，最下層為富鎵化合物(x≤0.5)，最上層為富鋁化合物(x≥0.5)。緩沖層的總厚度在20-500納米之間。

2)梯度漸變的alxga1-xn薄膜制備方法通過(guò)雙靶磁控濺射系統(tǒng)或mbe或mocvd完成，通過(guò)控制反應(yīng)沉積腔體內(nèi)的n2與惰性載氣(包括ar、he、ne)比例、腔體內(nèi)等離子體分布以及金屬鎵、金屬鋁靶材的位置，實(shí)現(xiàn)algan中al:ga比例的連續(xù)調(diào)控。

3)梯度疊層algan如使用磁控濺射進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)，優(yōu)選使用等離子體對(duì)襯底表面進(jìn)行清潔處理，有效去除襯底表面吸附的各種氣體、雜質(zhì)等污染物，有利于緩沖層薄膜的生長(zhǎng)。磁控濺射生長(zhǎng)溫度控制在300-800℃之間，薄膜生長(zhǎng)速率在0.5nm/min至10nm/min之間。

4)基于梯度疊層的alxga1-xn薄膜，放入mocvd反應(yīng)腔室，控制生長(zhǎng)溫度為1000-1400℃，反應(yīng)室壓力為20-500mtorr，ⅴ/ⅲ比為10-1000，生長(zhǎng)厚度為0.1-5μm的高溫gan、aln或algan外延層。

經(jīng)mocvd外延生長(zhǎng)得到的algan薄膜，高分辨xrd(002)、(102)搖擺曲線半峰寬小于400弧秒，表面形貌較好，無(wú)明顯裂紋。

梯度疊層alxga1-xn薄膜最上層為aln或富al的化合物,與其上mocvd外延algan的晶格能夠?qū)崿F(xiàn)較大程度匹配，可以實(shí)現(xiàn)同質(zhì)外延生長(zhǎng)，降低晶體內(nèi)位錯(cuò)密度；與此同時(shí)，緩沖層最下層gan或富鎵化合物熱膨脹系數(shù)(5.59×10^-6k^-1)與藍(lán)寶石襯底熱膨脹系數(shù)(5×10^-6k^-1)吻合，通過(guò)優(yōu)化調(diào)控疊層alxga1-xn薄膜的厚度(即組分漸變梯度)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力在整個(gè)疊層緩沖層薄膜內(nèi)部的均勻分布，從而降低熱應(yīng)力對(duì)薄膜開(kāi)裂影響，改善晶體表面形貌。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)晶體質(zhì)量與表面形貌的平衡，全面提高深紫外光電器件的性能。同時(shí)，如果該疊層緩沖層薄膜由磁控濺射方法制備，方法簡(jiǎn)單且熱成本較低，可直接在其上表面進(jìn)行mocvd外延生長(zhǎng)(epi-ready)，具有節(jié)約制備成本，提高產(chǎn)品良率的優(yōu)勢(shì)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)所述復(fù)合材料所包含的iii-v族氮化物(almga1-mn(0≤m≤1))薄膜的位錯(cuò)密度、點(diǎn)缺陷水平、薄膜裂紋密度和薄膜表面粗糙度得到綜合改善，因此可獲得晶體質(zhì)量和表面形貌平衡提升的復(fù)合材料，進(jìn)而全面提升包含所述復(fù)合材料的光電器件或功率器件的性能；

(2)所述方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)品良率高等特點(diǎn)；

(3)基于所述組成梯度變化的緩沖層進(jìn)行氮化物外延薄膜生長(zhǎng)，相比于基于aln緩沖層進(jìn)行氮化物外延薄膜生長(zhǎng)，可降低mocvd外延時(shí)間20％以上(優(yōu)選30％以上)，簡(jiǎn)化制備工序，節(jié)約能耗和原料。

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說(shuō)明，否則百分比和份數(shù)按重量計(jì)算。

除非另行定義，文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語(yǔ)與本領(lǐng)域熟練人員所熟悉的意義相同。此外，任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。文中所述的較佳實(shí)施方法與材料僅作示范之用。

實(shí)施例1復(fù)合材料1(藍(lán)寶石襯底－alxga1-xn緩沖層薄膜－aln外延薄膜(即almga1-mn中m為1的情況))

在藍(lán)寶石襯底(直徑為1英寸，厚度為430微米)上基于等離子輔助雙靶磁控濺射系統(tǒng)沉積100nm總厚度的alxga1-xn疊層緩沖薄膜，襯底溫度從初始500℃逐漸變?yōu)榻Y(jié)束時(shí)的650℃。組分上，襯底處x＝0，薄膜表面處x＝1，中間組分呈線性變化?；诖藀vd疊層緩沖薄膜，接著mocvd生長(zhǎng)高溫aln外延薄膜，生長(zhǎng)溫度1200攝氏度,v/iii＝300(即反應(yīng)氣nh3與氣態(tài)分子三甲基鋁(tma)的分子比例)，高溫aln總厚度3μm，得到復(fù)合材料1。

高分辨xrd搖擺曲線顯示實(shí)施例1所得復(fù)合材料1中aln薄膜的(002)和(102)半峰寬分別為200弧秒和300弧秒左右。afm顯示實(shí)施例1所得復(fù)合材料1中aln薄膜的表面粗糙度均方根小于約0.5納米，為原子級(jí)平滑表面。實(shí)施例1所得復(fù)合材料1中aln薄膜的表面開(kāi)裂密度小于3條/片。

與之相比，采用普通20nm厚aln緩沖層外延生長(zhǎng)得到3微米aln外延薄膜晶體質(zhì)量和表面形貌惡化。

具體地，圖2為基于普通20nm厚aln緩沖層襯底與基于實(shí)施例1中100nmalxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)3微米aln外延薄膜得到的xrd半峰寬數(shù)值(圖2(a))以及經(jīng)計(jì)算得到的位錯(cuò)密度對(duì)比(圖2(b))。

從圖2(a)可以看出：基于普通mocvd原位aln緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的3微米aln薄膜(002)晶面和(102)晶面的半峰寬分別為360弧秒和848弧秒，而基于磁控濺射alxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的aln薄膜，相應(yīng)的半峰寬降低至212弧秒和320弧秒，體現(xiàn)了晶體質(zhì)量的改善。

由(002)晶面和(102)晶面的半峰寬可估算相應(yīng)的螺位錯(cuò)密度和刃位錯(cuò)密度。具體地，從圖2(b)可以看出：基于普通mocvd原位aln緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的3微米aln薄膜具有螺位錯(cuò)密度2.8×10⁸cm^-2,刃位錯(cuò)密度8.1×10⁹cm^-2；而基于磁控濺射alxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的aln薄膜具有螺位錯(cuò)密度9.7×10⁷cm^-2,刃位錯(cuò)密度9.6×10⁸cm^-2，位錯(cuò)密度分別降低3倍和10倍。

圖3為基于普通20nm厚aln緩沖層襯底與基于實(shí)施例1中100nmalxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)3微米aln外延薄膜得到的afm形貌，其中，圖3(a)對(duì)應(yīng)于普通20nmaln緩沖層襯底，圖3(b)對(duì)應(yīng)于實(shí)施例1中100nmalxga1-xn組分漸變緩沖層襯底。

從圖3(a)和圖3(b)可以看出：基于普通20nm厚aln緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的3微米aln外延薄膜表面存在臺(tái)階積聚現(xiàn)象，表面粗糙度均方根大于3nm，而基于磁控濺射alxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的aln薄膜表面粗糙度均方根僅為0.5nm，外延薄膜粗糙度得到大幅改進(jìn)。

實(shí)施例2復(fù)合材料2(藍(lán)寶石襯底-alxga1-xn緩沖層薄膜-gan外延薄膜(即almga1-mn中m為0的情況))

在藍(lán)寶石襯底(直徑為2英寸，厚度為400微米)上基于等離子輔助雙靶磁控濺射系統(tǒng)分別沉積20nm和50nm總厚度的alxga1-xn疊層緩沖薄膜，襯底處x＝0，薄膜表面處x＝0.5。沉積過(guò)程中逐漸降低ga靶材處等離子體密度，并同步逐漸增加al靶材處等離子體密度，從而實(shí)現(xiàn)緩沖層薄膜al組分從底部至上部逐漸增大?；诖藀vd疊層緩沖薄膜，mocvd生長(zhǎng)高溫gan外延薄膜，生長(zhǎng)溫度1100攝氏度，v/iii＝500(即反應(yīng)氣nh3和二乙基鎵(teg)的分子比例)，高溫gan總厚度2μm，得到復(fù)合材料2。

高分辨xrd搖擺曲線顯示實(shí)施例2所得復(fù)合材料2中g(shù)an薄膜的(002)和(102)半峰寬最低可達(dá)到133弧秒和203弧秒。光學(xué)顯微鏡顯示，使用alxga1-xn緩沖層襯底的gan外延片表面平整度好于使用mocvd(原位緩沖層沉積aln)襯底得到的gan薄膜的平整度，且裂紋密度≤3cm^-2

具體地，圖4為基于mocvd原位aln緩沖層襯底和基于不同厚度的磁控濺射alxga1-xn襯底外延生長(zhǎng)2微米gan薄膜的(002)和(102)半峰寬對(duì)比圖。

從圖4可以看出：基于mocvd原位aln緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的gan(002)晶面和(102)晶面的半峰寬分別為319弧秒和447弧秒，而基于磁控濺射alxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的gan薄膜，相應(yīng)的半峰寬降低至145弧秒和264弧秒(20納米緩沖層)或133弧秒和203弧秒(50納米緩沖層)，體現(xiàn)了不同厚度alxga1-xn緩沖層薄膜對(duì)gan晶體質(zhì)量的改善。

圖5為基于mocvd原位aln緩沖層襯底和基于50nm磁控濺射algan襯底外延生長(zhǎng)2微米gan薄膜的光學(xué)顯微鏡表面形貌圖，其中，圖5(a)對(duì)應(yīng)于基于mocvd原位aln緩沖層襯底，圖5(b)對(duì)應(yīng)于基于50nm磁控濺射algan襯底。

從圖5(a)和圖5(b)可以看出：基于mocvd原位aln緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的gan薄膜表面粗糙，生長(zhǎng)模式趨向于三維形核，而基于磁控濺射alxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的gan薄膜表面平整，生長(zhǎng)模式趨向于二維臺(tái)階生長(zhǎng)。

實(shí)施例3復(fù)合材料3(藍(lán)寶石襯底-alxga1-xn薄膜-al0.6ga0.4n外延薄膜)

在藍(lán)寶石襯底(直徑為4英寸，厚度為200微米)上基于mbe沉積30nm總厚度的alxga1-xn疊層緩沖薄膜，沉積溫度800℃，襯底處x＝0，薄膜表面處x＝0.6。基于此pvd疊層緩沖薄膜，mocvd生長(zhǎng)高溫al0.6ga0.4n外延薄膜(厚度為600nm)，生長(zhǎng)溫度1200攝氏度，v/iii＝250(即反應(yīng)氣nh3和三甲基鋁和二乙基鎵的總和的分子比例)，得到復(fù)合材料3。

高分辨xrd搖擺曲線顯示實(shí)施例3所得復(fù)合材料3中al0.6ga0.4n薄膜的(002)半峰寬為338弧秒，峰形對(duì)稱。afm顯示實(shí)施例3所得復(fù)合材料3中al0.6ga0.4n薄膜的表面粗糙度均方根小于約0.36納米，為原子級(jí)平滑表面。原子臺(tái)階清晰可見(jiàn)。

具體地，圖6為基于30nm磁控濺射alxga1-xn襯底外延生長(zhǎng)600nmal0.6ga0.4n外延薄膜的002搖擺曲線圖(左圖)以及afm形貌圖(右圖)。

從圖6可以看出：基于磁控濺射alxga1-xn組分漸變緩沖層襯底外延生長(zhǎng)的algan高分辨xrd峰形對(duì)稱，半峰寬較低，原子力顯微鏡顯示外延生長(zhǎng)為原子臺(tái)階生長(zhǎng)，表面平滑。

綜上，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)異效果：

1)磁控濺射緩沖層與mocvd外延層實(shí)現(xiàn)晶格匹配，大大降低外延薄膜位錯(cuò)密度；

2)基于梯度疊層緩沖層的熱膨脹系數(shù)漸變分布，減少了mocvd外延薄膜的應(yīng)力累積，改善了薄膜表面形貌，降低表面裂紋密度；

3)可根據(jù)mocvd外延薄膜的組分需求，靈活調(diào)控梯度疊層緩沖層的厚度和組分，實(shí)現(xiàn)外延薄膜晶體質(zhì)量和表面形貌的平衡；

4)磁控濺射生長(zhǎng)緩沖層薄膜，可直接外延生長(zhǎng)外延薄膜(如aln)而無(wú)需繁瑣的升溫、原位緩沖層沉積、退火等工藝，大大縮短led芯片生產(chǎn)時(shí)間，提升產(chǎn)能，同時(shí)起到簡(jiǎn)化工藝，增大產(chǎn)品良率的作用。

各實(shí)施例中復(fù)合材料參數(shù)及薄膜性能總結(jié)于下表1：

表1

在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請(qǐng)中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨(dú)引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。