外延结构及其生长方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种外延结构及其生长方法。


背景技术：

2.与传统的led相比，图形化蓝宝石衬底由于其特殊的几何结构降低了led内部全反射，大大提升了光萃取效率。近年来，随着图形化蓝宝石衬底的技术革新，异质型复合衬底被广泛应用，如sio
2 pss复合图形化蓝宝石衬底等。
3.pss(图形化蓝宝石衬底)的优点：减少内部全反射，增加出射光；同时使外延生长由纵向变成横向，降低了gan外延材料的位错密度，提高内量子效率。sio
2 pss(异质复合衬底)：在保留pss的优点同时，异质材料sio2折射率相比蓝宝石更低，让更多易发生全反射的光角度改变，进而增加出光效率。
4.但异质衬底与gan之间晶格失配率较大，且热膨胀系数差异过大，gan直接生长在异质衬底上，会导致位错密度增多，影响晶体质量，普遍解决办法是在异质衬底与gan之间生长一层晶格匹配度较高的aln缓冲层。
5.而在现有技术中，通常采用n2或者nh3作为氮源，利用磁控溅射沉积aln薄膜，并通过热退火处理形成aln纳米结晶结构的缓冲层。
6.然而由于图形化衬底的特殊结构，其侧壁无法有效沉积al薄膜及后续aln缓冲层结晶膜；同时在通入n2或nh3气体时，异质衬底sio2易与n2或nh3反应形成无结晶方向性的si
x
ny导致晶体质量变差，与同质复合衬底相比缺陷密度数量增多，影响良率。


技术实现要素：

7.基于此，本发明的目的是提供一种外延结构及其生长方法，以至少解决上述技术中的不足。
8.本发明提出一种外延结构，从下至上依次包括复合图形化衬底、缓冲层、gan成核层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层以及p型gan层，在所述复合图形化衬底与所述缓冲层之间设有预备层，所述预备层包括第一子层以及第二子层，所述第一子层设于所述复合图形化衬底上，所述第二子层设于所述第一子层上，所述第一子层包括al原子沉积层，所述第二子层包括氮化铝非晶层。
9.进一步的，所述第一子层为在纯h2气氛下，采用磁控溅射方法将al靶材溅射至所述复合图形化衬底所形成的al原子沉积层，其中，所述al原子沉积层的生长温度为500～1000℃、持续时间为50～100s。
10.进一步的，所述第二子层为在h2和n2的混合气氛下在所述第一子层上生长的氮化铝非晶层，其中，所述h2和n2的混合比例为1:15～1:9。
11.进一步的，所述第一子层的厚度为5～10nm，所述第二子层的厚度为15～20nm。
12.本发明还提出一种外延结构的生长方法，用于生长上述的外延结构，所述外延结构的生长方法包括：
13.步骤一：选取一复合图形化衬底，并在纯h2气氛下利用磁控溅射方法在所述复合图形化衬底上沉积第一子层；
14.步骤二：通入n2以使所述h2和n2的混合比例为预设混合比例，并在该h2和n2的混合气氛下在所述第一子层上继续沉积第二子层；
15.步骤三：关闭h2输入，并在所述纯n2气氛下在所述第二子层上继续沉积缓冲层；
16.步骤四：在所述缓冲层上从下往上继续生长gan成核层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层以及p型gan层，所述缓冲层、所述gan成核层、所述n型gan层、所述多量子阱层、所述电子阻挡层以及所述p型gan层呈层叠设置。
17.进一步的，所述步骤一中，所述复合图形化衬底为sio2图形化蓝宝石衬底、sic图形化蓝宝石衬底中任意一种，所述复合图形化衬底的图形化为带有斜坡面的柱状、三角锥状以及半圆包状中任意一种或多种组合。
18.进一步的，所述步骤一中，所述第一子层为al原子薄膜，其生长温度为800℃～1200℃、生长厚度为5～10nm。
19.进一步的，所述步骤二中，所述预设混合比例为1:15～1:9，所述第二子层为非晶态氮化铝薄膜层，其生长温度为200～500℃、生长厚度为15～20nm。
20.进一步的，所述步骤三中，所述缓冲层为氮化铝层，其生长温度为200～500℃、生长厚度为10～20nm。
21.进一步的，所述步骤四中，所述gan成核层的生长温度由1050℃渐变至1130℃、生长压力由200torr渐变至100torr，vⅲ比为500～1000；
22.所述n型gan层的生长温度为1100℃、生长厚度为2～3μm、si掺杂浓度为1.6e19～5e19 atom/cm3；
23.所述多量子阱层为交替堆叠的ingan量子阱层和algan量子垒层，其堆叠周期数6～12个，其中，所述ingan量子阱层的生长温度为790～810℃、生长厚度为2～3.5nm，所述algan量子垒层的生长温度为850～900℃、生长厚度为9～12nm、al组分为0.1；
24.所述电子阻挡层为al
x
inyga
1-x-y
n，其生长厚度为10～40nm、生长温度为900～1000℃，其中，al组分为0.005《x《0.1，in组分浓度为0.05《y《0.2；
25.所述p型gan层的生长温度为900～1000℃、生长厚度为10～50nm、生长压力为100～600torr、mg掺杂浓度为1e19～1e20 atom/cm3。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用h2在高温下的高能活性状态，对复合图形化衬底进行原位刻蚀，对复合图形化衬底各个面进行还原预处理，磁控溅射出的al原子在预处理的复合衬底表面能够实现有效沉积，为后续氮化铝缓冲层沉积做准备，提升氮化铝在图形化衬底侧壁的沉积效果。另外，在以n2和al为原料的非晶氮化铝薄膜层生长过程中，通入少量的h2，h2在高温下分解产生的h原子会抑制n原子与sio2反应生成无结晶方向的si
x
ny，提升氮化铝薄膜的纯度和质量，减少后续外延层的缺陷密度，提升外延晶体质量。
附图说明
27.图1为本发明第一实施例中的外延结构的整体结构示意图；
28.图2为本发明第二实施例中外延结构的生长方法的流程图。
29.主要元件符号说明：
30.复合图形化衬底10多量子阱层60预备层20电子阻挡层70缓冲层30p型gan层80gan成核层40第一子层21n型gan层50第二子层22
31.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
32.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
33.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
35.实施例一
36.请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的外延结构，从下至上依次包括复合图形化衬底10、缓冲层30、gan成核层40、n型gan层50、多量子阱层60、电子阻挡层70、p型gan层80，在所述复合图形化衬底10与所述缓冲层30之间设有预备层20，所述预备层20包括第一子层21以及第二子层22，所述第一子层21设于所述复合图形化衬底10上，所述第二子层22设于所述第一子层21上，所述第一子层21包括al原子沉积层，所述第二子层22包括氮化铝非晶层。
37.可以理解的，通过在复合图形化衬底10与缓冲层30之间设置al原子沉积层和氮化铝非晶层，进而改善在图形化的异质衬底之上的无效缓冲层30沉积，同时减少si
x
ny的形成，减少缺陷密度，提升底层晶体质量。
38.具体的，所述第一子层21为纯氢气气氛状态下，使用磁控溅射方法，将al靶材溅射至复合图形化衬底10上所形成的al原子沉积层，其中，所述al原子沉积层的生长温度为500～1000℃、持续时间为50～100s。
39.可以理解的，通过磁控溅射方法，能够使al原子更充分的与图形化衬底的各个面结合，实现al原子层有效覆盖。
40.进一步的，所述第二子层22为在h2和n2的混合气氛下在所述第一子层21上生长的氮化铝非晶层，其中，所述h2和n2的混合比例为1:15～1:9。
41.需要说明的是，本实施例中，所通入h2和n2的混合气体的比例为1:9。其中n2作为氮源与al原子结合形成非晶结构al
x
ny薄膜，覆盖在第一子层21的al原子层之上。同时少量的h2可以抑制n原子与复合衬底的si结合形成无结晶方向的si
x
ny层，减少了后续外延生长时
缺陷密度，提升晶体质量。
42.在本实施例中，所述第一子层21厚度为5～10nm，所述第二子层22厚度为15～20nm。整个预备层20的厚度直接影响后续aln缓冲层30的沉积效果，若厚度太薄容易使缓冲层30分布不均匀，继而影响后续外延gan的岛状成核密度。
43.综上，本发明上述实施例中的外延结构，利用h2在高温下的高能活性状态，对复合图形化衬底进行原位刻蚀，对复合图形化衬底各个面进行还原预处理，磁控溅射出的al原子在预处理的复合衬底表面能够实现有效沉积，为后续氮化铝缓冲层沉积做准备，提升氮化铝在图形化衬底侧壁的沉积效果。另外，在以n2和al为原料的非晶氮化铝薄膜层生长过程中，通入少量的h2，h2在高温下分解产生的h原子会抑制n原子与sio2反应生成无结晶方向的si
x
ny，提升氮化铝薄膜的纯度和质量，减少后续外延层的缺陷密度，提升外延晶体质量。
44.实施例二
45.本发明还提出一种外延结构的生长方法，请参阅图2，所示为本发明第二实施例中的外延结构的生长方法，用于生长第一实施例中的外延结构，所述外延结构的生长方法具体包括步骤s101～s104：
46.s101：选取一复合图形化衬底，并在纯h2气氛下利用磁控溅射方法在所述复合图形化衬底上沉积第一子层；
47.在具体实施时，本实施例中采用中微a7 mocvd(metal-organic chemical vapor deposition，简称mocvd)设备实现该外延结构的生长方法，当然，在一些可选实施例中，还可以采用其他的外延设备。
48.具体的，所述步骤s101中，所述复合图形化衬底为sio2图形化蓝宝石衬底，所述复合图形化衬底的图形化为带有斜坡面的柱状。
49.需要说明的是，在其他实施例中，所述复合图形化衬底还可以为sic图形化蓝宝石衬底，所述复合图形化衬底的图形化还可以为带有斜坡面的三角锥状以及半圆包状中任意一种或多种组合。
50.进一步的，所述步骤s101中，所述第一子层为al原子薄膜，其生长温度为800℃～1200℃、生长厚度为5～10nm。
51.需要说明的是，在本实施例中，优选的，所述第一子层的生长温度为1000℃，在h2气氛下用磁控溅射方法在上述衬底上沉积al原子薄膜，生长厚度5nm。
52.s102：通入n2以使所述h2和n2的混合比例为预设混合比例，并在该h2和n2的混合气氛下在所述第一子层上继续沉积第二子层；
53.进一步的，所述步骤s102中，所述预设混合比例为1:15～1:9，所述第二子层为非晶态氮化铝薄膜层，其生长温度为200～500℃、生长厚度为15～20nm。
54.需要说明的是，在本实施例中，优选的，所述预设混合比例为为1:9，所述第二子层的生长温度500℃、生长厚度15nm。
55.s103：关闭h2输入，并在所述纯n2气氛下在所述第二子层上继续沉积缓冲层；
56.进一步的，所述步骤s103中，所述缓冲层为氮化铝层，其生长温度为200～500℃、生长厚度为10～20nm。
57.需要说明的是，在本实施例中，优选的，所述缓冲层的生长温度为500℃、生长厚度为15nm。
58.s104：在所述缓冲层上从下往上继续生长gan成核层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层，所述缓冲层、所述gan成核层、所述n型gan层、所述多量子阱层、所述电子阻挡层、所述p型gan层呈层叠设置。
59.进一步的，所述步骤s104中，所述gan成核层的生长温度由1050℃渐变至1130℃、生长压力由200torr渐变至100torr，vⅲ比为500～1000；
60.在本实施例中，优选的，所述gan成核层的vⅲ比为800。
61.所述n型gan层的生长温度为1100℃、生长厚度为2～3μm、si掺杂浓度为1.6e19～5e19 atom/cm3；
62.在本实施例中，优选的。所述n型gan层的生长厚度为3μm、si掺杂浓度为5e19 atom/cm3。
63.所述多量子阱层为交替堆叠的ingan量子阱层和algan量子垒层，其堆叠周期数6～12个，其中，所述ingan量子阱层的生长温度为790～810℃、生长厚度为2～3.5nm，所述algan量子垒层的生长温度为850～900℃、生长厚度为9～12nm、al组分为0.1；
64.在本实施例中，优选的，所述多量子阱层的堆叠周期数为12个，其中，所述ingan量子阱层的生长温度为800℃、生长厚度为3.5nm，所述algan量子垒层的生长温度为900℃、生长厚度为12nm。
65.所述电子阻挡层为al
x
inyga
1-x-y
n，其生长厚度为10～40nm、生长温度为900～1000℃，其中，al组分为0.005《x《0.1，in组分浓度为0.05《y《0.2；
66.在本实施例中，优选的，所述电子阻挡层的生长厚度为40nm、生长温度为1000℃，其中，al组分为0.05，in组分浓度为0.1。
67.所述p型gan层的生长温度为900～1000℃、生长厚度为10～50nm、生长压力为100～600torr、mg掺杂浓度为1e19～1e20 atom/cm3。
68.在本实施例中，优选的，所述p型gan层的生长温度为1000℃，生长厚度为50nm、生长压力为600torr、mg掺杂浓度为1e20 atom/cm3。
69.根据上述步骤所得到的样品a，与现有技术的方式所得到的样本b进行外延片表征量测，如下表所示，通过xrd沿两个样品的(xrd 002)面和(xrd102)面进行ω摇摆曲线量测，并对每组的抽样数据计算均值，结果显示：a样品(xrd 002)面的半高宽值为100(arcsec)，(xrd 102)面半高宽值为164(arcsec)；b样品(xrd 002)面的半高宽值为194(arcsec)，(xrd 102)面半高宽值为215(arcsec)。从量测结果来看a样品缺陷密度明显小于b样品缺陷密度，因而上述方法能够有利于提升外延晶体质量。
70.samplxrd 002xrd 102a99.85169.19a96.04164.40a104.12159.14b210.55220.00b162.29210.00b207.56215.00
71.综上，本发明上述实施例中的外延结构的生长方法，利用h2在高温下的高能活性状态，对复合图形化衬底进行原位刻蚀，对复合图形化衬底各个面进行还原预处理，磁控溅
射出的al原子在预处理的复合衬底表面能够实现有效沉积，为后续氮化铝缓冲层沉积做准备，提升氮化铝在图形化衬底侧壁的沉积效果。另外，在以n2和al为原料的非晶氮化铝薄膜层生长过程中，通入少量的h2，h2在高温下分解产生的h原子会抑制n原子与sio2反应生成无结晶方向的si
x
ny，提升氮化铝薄膜的纯度和质量，减少后续外延层的缺陷密度，提升外延晶体质量。
72.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
73.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。