氮化物底層及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制備領(lǐng)域，具體為一種可以改善表面裂紋的氮化物底層結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]深紫外AlGaN發(fā)光二極管在殺菌消毒、醫(yī)療、生化檢測、高密度信息存儲(chǔ)、白光照明和保密通信等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值和前景，受到越來越多研究人員和機(jī)構(gòu)的重視。然而AlGaN與常用襯底之間失配很大，導(dǎo)致當(dāng)前深紫外LED的發(fā)光效率普遍較低，使用AlN作為緩沖層，獲得高晶體質(zhì)量無裂紋的AlN薄膜，成為提高深紫外LED的發(fā)光效率關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]越來越多的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在藍(lán)寶石襯底上使用派射式(Sputter)AlN材料作為進(jìn)一步生長氮化物薄膜的緩沖層，可以得到高品質(zhì)的底層材料，并且對(duì)于發(fā)光二極管的光輸出功率有較大的提升。例如，在藍(lán)寶石襯底上濺射AlN層作為緩沖層，再采用MOCVD生長AlN薄膜于該濺射式AlN緩沖層上，可以大幅降低XRD (102)衍射半波寬。然而，濺射式AlN緩沖層表面非常平整，不會(huì)形成不連續(xù)的薄膜表面，無法提供應(yīng)力釋放的路徑，導(dǎo)致表面裂紋嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決氮化物薄膜生長在濺射式AlN緩沖層上會(huì)出現(xiàn)表面裂紋嚴(yán)重的問題，本發(fā)明提供了一種氮化物底層的制作方法，采用PVD濺射AlN層時(shí)同時(shí)摻少量Ga、In等非Al物質(zhì)，以形成分解溫度低于AlN的氮化物，鍍完AlN后進(jìn)行高溫下退火，經(jīng)過退火后的AlN層不再是平整表面，而是在微觀上呈現(xiàn)高低起伏，在這種表面上繼續(xù)采用MOCVD生長AlGaN能通過三維到二維之間的模式轉(zhuǎn)換釋放應(yīng)力，從而改善AlN裂紋。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:氮化物底層的制作方法，包括步驟:I)提供襯底;2)在所述襯底的表面上濺射AlN層:在濺射過程中加入Al源的同時(shí)摻入非Al物質(zhì)，從而形成分解溫度低于AlN的氮化物;3)對(duì)所述AlN層進(jìn)行退火處理，形成粗糙的表面;4)采用MOCVD法在所述AlN 層表面沉積AlxGa1-XN層(O <x< 1)0
[0006]進(jìn)一步地，所述非Al物質(zhì)在退火過程中脫附，形成粗糙的表面。
[0007 ]優(yōu)選地，所述步驟2 )中的非Al物質(zhì)為In、Ga或其組合。
[0008]優(yōu)選地，所述摻入的非Al物質(zhì)的不超過Al源的10%。
[0009]優(yōu)選地，所述步驟3)的預(yù)設(shè)溫度為600?2000°C。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟4)中采用MOCVD生長的AlxGapxN層在所述粗糙表面上通過三維到二維之間的模式轉(zhuǎn)換釋放應(yīng)力。
[0011]本發(fā)明同時(shí)提供了一種發(fā)光二極管制作方法，包括步驟:1)提供襯底;2)在所述襯底的表面上濺射AlN層:在濺射過程中加入Al源的同時(shí)摻入非Al物質(zhì)，從而形成分解溫度低于AlN的氮化物；3)對(duì)所述AlN層進(jìn)行退火處理，形成粗糙的表面;4)采用MOCVD法在所述AlN層表面沉積AlxGal-xN層(O < x < I) ;5)在所述AlxGal-xN層上沉積η型氮化物層、有源層和P型氮化物層。
[0012]優(yōu)選地，所述有源層的發(fā)光波長為365nm?210nm。
[0013]前述方法制備獲得的氮化物底層結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于發(fā)光二極管，特別是深紫外發(fā)光二極管。采用前述制作方法可以獲得高晶格質(zhì)量且無裂紋的AlN底層，然后再進(jìn)行各外延材料層的生長，從而獲得高發(fā)光效率的發(fā)光二極管。
[0014]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0015]附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0016]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種氮化物底層的制作方法流程圖。
[0017]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種氮化物底層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種氮化物發(fā)光二極管示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例以及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0020]實(shí)施例1
參看圖1，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種氮化物底層的制作方法，包括步驟Sll?14，下面進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]首先，提供襯底110，襯底的選取包括但不限于藍(lán)寶石、氮化鋁、氮化鎵、硅、碳化硅，其表面結(jié)構(gòu)可為平面結(jié)構(gòu)或圖案化圖結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，采用藍(lán)寶石平片襯底。
[0022]接著，將襯底110置入PVD腔室，調(diào)節(jié)腔室溫度為300?600°C，壓力為2?1mtorr，利用PVD法沉積厚度為10?350nm的AlN膜層120，在沉積過程中摻入少量的Ga金屬，其量少于Al金屬的10%，從而在AlN膜層中夾雜形成少量的GaN。
[0023]沉積結(jié)束后將鍍有AlN膜層120的襯底進(jìn)行高溫退火處理，其退火溫度為1100?2000°C。由于Ga組分在溫度高于1077°C時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的脫附現(xiàn)象，因此通過退火處理的AlN膜層120不再是平整表面，而是在微觀上呈現(xiàn)高低起伏，即為粗糙表面。在本實(shí)施例中，優(yōu)選退火溫度為1080?1200°C。
[0024]接著，將鍍有AlN膜層2的襯底轉(zhuǎn)入CVD腔室，并調(diào)節(jié)腔室溫度為400?600°C，通入金屬源、NH3、H2外延生長AlxGa1-XN層3(0 < x < I)，該層厚度為I?lOOnm，覆蓋于襯底表面，圖2顯示了生長AlxGal-xN層3后結(jié)構(gòu)示意圖。在此過程中，利用Al原子表面迀移能力不強(qiáng)，MOCVD生長AlxGahN時(shí)，Al原子會(huì)優(yōu)先在高低起伏形成的小島聚集，小島會(huì)逐漸變成大島，當(dāng)島面積變大，相鄰兩個(gè)島或多個(gè)島會(huì)相遇并相互合并，合并過程包含島變大、相互擠壓、逐漸變厚等過程，擠壓形成的壓應(yīng)力會(huì)抵消部分薄膜與襯底之間由于失配導(dǎo)致的張應(yīng)力，使張應(yīng)力變小，從而改善AlN層的裂紋。
[0025]在上述方法中，保留了PVD鍍AlN膜提升MOCVD生長AlN晶體質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過引入微觀粗化的方法達(dá)到改善薄膜應(yīng)力，解決裂紋的問題。
[0026]圖3顯示了一種生長于上述氮化物底層結(jié)構(gòu)100上的LED結(jié)構(gòu)，至少還包括η型半導(dǎo)體層200、有源層300和ρ型半導(dǎo)體層400。一般，AlN材料層可允許實(shí)現(xiàn)低至約200納米波長的光發(fā)射，特別適用于進(jìn)行深紫外LED生長。在該實(shí)施例中，氮化物底層結(jié)構(gòu)100的AlxImtyGayN層140選用AlN材料，η型半導(dǎo)體層200、有源層300和ρ型半導(dǎo)體層400形成于AlN底層100上，采用AlGaN材料，可實(shí)現(xiàn)波長為210~365nm的高品質(zhì)紫外LED。
[0027]實(shí)施例2
區(qū)別于實(shí)施例1，在本實(shí)施例在PVD濺射AlN膜層120時(shí)同時(shí)濺射少量In金屬，從而在AlN膜層中夾雜形成少量InN材料，將PVD濺射的AlN膜層120在高溫下退火形成微粗的表面。由于InN材料在800°C左右即可分解，因此本實(shí)施例中控制溫度為800?1000°C進(jìn)行退火。
[0028]很明顯地，本發(fā)明的說明不應(yīng)理解為僅僅限制在上述實(shí)施例，而是包括利用本發(fā)明構(gòu)思的所有可能的實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.氮化物底層的制作方法，包括步驟: 1)提供襯底； 2)在所述襯底的表面上濺射AlN層:在濺射過程中加入Al源的同時(shí)摻入非Al物質(zhì)，以形成分解溫度低于AlN的氮化物； 3)對(duì)所述AlN層進(jìn)行退火處理，形成粗糙的表面； 4)采用MOCVD法在所述AlN層表面沉積AlxGa1-XN層(O <x< 1)02.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物底層的制作方法，其特征在于:所述非Al物質(zhì)在退火過程中脫附，形成粗糙的表面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物底層的制作方法，其特征在于:所述步驟2)中的非Al物質(zhì)為In、Ga或其組合。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物底層的制作方法，其特征在于:所述摻入的非Al物質(zhì)的不超過Al源的10%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物底層的制作方法，其特征在于:所述步驟3)的退火溫度為600?2000。。。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物底層的制作方法，其特征在于:所述步驟4)中采用MOCVD生長的AlxGapxN層在所述粗糙表面上通過三維到二維之間的模式轉(zhuǎn)換釋放應(yīng)力。7.氮化物底層結(jié)構(gòu)，采用上述權(quán)利要求1?6中的任一項(xiàng)氮化物底層的制作方法制得。8.發(fā)光二極管制作方法，包括步驟: 1)提供襯底； 2)在所述襯底的表面上濺射AlN層:在濺射過程中加入Al源的同時(shí)摻入非Al物質(zhì)，從而形成分解溫度低于AlN的氮化物； 3)對(duì)所述AlN層進(jìn)行退火處理，形成粗糙的表面； 4)采用MOCVD法在所述AlN層表面沉積AlxGal-xN層(O < x<l)； 5 )在所述Al xGa I _xN層上沉積η型氮化物層、有源層和ρ型氮化物層。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于:所述有源層的發(fā)光波長為365nm?210nm。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于:所述步驟2)中的非Al物質(zhì)為In、Ga或其組合。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于::所述步驟4)中采用MOCVD生長的AlxGal-xN層在所述粗糙表面上通過三維到二維之間的模式轉(zhuǎn)換釋放應(yīng)力。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氮化物底層的制作方法，采用PVD濺射AlN層時(shí)同時(shí)摻少量非Al物質(zhì)以形成分解溫度低于AlN的氮化物，然后進(jìn)行高溫下退火，經(jīng)過退火后的AlN層不再是平整表面，而是在微觀上呈現(xiàn)高低起伏，在這種表面上繼續(xù)采用MOCVD生長AlGaN能通過三維到二維之間的模式轉(zhuǎn)換釋放應(yīng)力，從而改善AlN裂紋。
【IPC分類】H01L33/32, H01L33/00, H01L33/22
【公開號(hào)】CN105489723
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610024968
【發(fā)明人】陳圣昌, 林文禹, 張潔, 鄧和清, 徐宸科
【申請(qǐng)人】廈門市三安光電科技有限公司
【公開日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2016年1月15日