硅基氮化鎵led外延結(jié)構(gòu)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，所述制造方法包括：S1、以N2和Al為原料在硅襯底上制備AlN薄膜，利用磁控濺射產(chǎn)生的等離子體將氬原子離化為氬離子，轟擊鋁靶材將鋁原子濺射出，鋁原子向硅襯底遷移并與氮原子結(jié)合形成非晶的AlN薄膜；S2、升溫對AlN薄膜在MOCVD腔體中進(jìn)行熱退火，熱退火氣氛為氮?dú)?、氫氣、氨氣的混合氣體，使得非晶的AlN薄膜形成AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層；S3、在AlN緩沖層上外延生長插入層；S4、在插入層上外延生長n型GaN層、量子阱發(fā)光層、及p型GaN層。本發(fā)明提升了磁控濺射沉積的AlN薄膜的質(zhì)量，降低了因磊晶膜晶格不匹配所形成的應(yīng)力與缺陷密度。
【專利說明】
硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及LED技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Light-Emitting D1de，LED)是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。這種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當(dāng)?shù)墓舛?。而用途也由初時作為指示燈、顯示板等；隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)光二極管已被廣泛的應(yīng)用于顯示器、電視機(jī)采光裝飾和照明。
[0003]目前商品化的氮化鎵系半導(dǎo)體光電元件均以藍(lán)寶石(Sapphire)與碳化硅(SiC)襯底為主，但其基本專利基本掌握在日本、美國和德國廠商手中。有鑒于專利與材料種種問題，開發(fā)硅基氮化鎵(GaN-on-Si)磊晶技術(shù)遂能擺脫關(guān)鍵原料、技術(shù)受制于美日的困境。
[0004]由于氮化鎵材料與硅襯底間的晶格常數(shù)并不匹配，加上熱膨脹系數(shù)的差異，若將氮化鎵薄膜材料直接生長在硅襯底上，薄膜會因與襯底間的晶格常數(shù)差異過大而導(dǎo)致薄膜內(nèi)的缺陷密度非常高，進(jìn)而降低元件效率，所以通常在兩者之間須搭配一層緩沖層材料。氮化鋁薄膜材料由于具有寬能隙、高熱穩(wěn)定性及高散熱性，同時與GaN薄膜的晶格可做應(yīng)力互補(bǔ)，所以極適合做為GaN-on-Si的緩沖層材料。
[0005]氮化鋁緩沖層的通常在MOCVD中制備，在500?1100°C下，利用NH3和Al為原料制備氮化鋁緩沖層。然后由于Si較為活潑，容易和NH3反應(yīng)生成無結(jié)晶方向性的氮化硅(SixNy)界面，使得磊晶品質(zhì)降低。
[0006]為解決這個問題，已知的技術(shù)方案包括:
1)預(yù)先在硅基板上成長幾個原子層的鋁元素于硅襯底之上做為阻擋層，此舉可防止氮化硅界面的形成；
2)采用較低的溫度生長氮化鋁緩沖層。
[0007]然而上述兩種技術(shù)方案都無法根本上杜絕氮化硅的形成。
[0008]有鑒于此，為了解決上述技術(shù)問題，有必要提供一種硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，以降低因磊晶膜晶格不匹配所形成的應(yīng)力與缺陷密度(Defect Density)。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下:
一種娃基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，所述制造方法包括:
S1、以NdPAl為原料在硅襯底上制備AlN薄膜，利用磁控濺射產(chǎn)生的等離子體將氬原子離化為氬離子，轟擊鋁靶材將鋁原子濺射出，鋁原子向硅襯底迀移并與氮原子結(jié)合形成非晶的AlN薄膜； 52、升溫對AlN薄膜在MOCVD腔體中進(jìn)行熱退火，熱退火氣氛為氮?dú)狻錃?、氨氣的混合氣體，使得非晶的AlN薄膜形成AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層；
53、在AlN緩沖層上外延生長插入層；
54、在插入層上外延生長η型GaN層、量子講發(fā)光層、及P型GaN層。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟SI中，磁控濺射采用直流電，功率為1000?5000ffo
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟SI中，AlN薄膜的生長溫度為100?800°C。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟SI中，AlN薄膜的厚度為5?50nm。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S2中，AlN薄膜的熱退火溫度為1030?1200°C。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S2中，A1N薄膜的熱退火時間為10?300s。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S2中，熱退火氣氛的混合氣體中，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為O?0.5，氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.2?I，氨氣體積分?jǐn)?shù)為O?0.5。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S2中，熱退火氣氛的混合氣體中，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為0.I，氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.8，氨氣體積分?jǐn)?shù)為0.1oo
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述插入層為高溫AlN層、AlGaN層、AlN/AlGaN超晶格層、AlGaN/GaN超晶格層中的一種或多種的組合。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
采用N2取代NH3作為氮源，可以降低氮源與硅襯底在界面反應(yīng)形成氮化硅的可能性，提升了磁控濺射沉積的AlN薄膜的質(zhì)量；
對AlN薄膜進(jìn)行熱退火以形成AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層，有效降低了因磊晶膜晶格不匹配所形成的應(yīng)力與缺陷密度，提升了硅基氮化鎵LED的光電轉(zhuǎn)化效率。
【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021 ]圖1為本發(fā)明中硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)制造方法的具體流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0023]參圖1所示，本發(fā)明公開了一種硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，具體包括:
S1、以NdPAl為原料在硅襯底上制備AlN薄膜，利用磁控濺射產(chǎn)生的等離子體將氬原子離化為氬離子，轟擊鋁靶材將鋁原子濺射出，鋁原子向硅襯底迀移并與氮原子結(jié)合形成非晶的AlN薄膜； 52、升溫對AlN薄膜在MOCVD腔體中進(jìn)行熱退火，熱退火氣氛為氮?dú)?、氫氣、氨氣的混合氣體，使得非晶的AlN薄膜形成AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層；
53、在AlN緩沖層上外延生長插入層；
54、在插入層上外延生長η型GaN層、量子講發(fā)光層、及P型GaN層。
[0024]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，步驟SI中，磁控濺射采用直流電，功率為1000?5000ffo
[0025]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，步驟SI中，AlN薄膜的生長溫度為100?800°C。
[0026]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，步驟SI中，AlN薄膜的厚度為5?50nm。
[0027]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，步驟S2中，A1N薄膜的熱退火溫度為1030?1200°C。
[0028]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，步驟S2中，A1N薄膜的熱退火時間為10~300s。
[0029]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，步驟S2中，熱退火氣氛的混合氣體中，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為O?0.5，氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.2?I，氨氣體積分?jǐn)?shù)為O?0.5。
[0030]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，步驟S2中，熱退火氣氛的混合氣體中，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為0.1，氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.8，氨氣體積分?jǐn)?shù)為0.1。
[0031]進(jìn)一步地，本發(fā)明中的插入層可以為一層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，插入層可以為高溫AlN層、AlGaN層、AlN/AlGaN超晶格層、AlGaN/GaN超晶格層中的一種或多種的組合。
[0032]現(xiàn)有技術(shù)中沉積AlN薄膜的氮源采用NH3，NH3與硅襯底在界面容易反應(yīng)形成氮化硅，本發(fā)明中采用犯取代NH3作為氮源，可以降低氮源與硅襯底在界面反應(yīng)形成氮化硅的可能性，提升了磁控濺射沉積的AlN薄膜的質(zhì)量。
[0033]通過AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層，降低了因磊晶膜晶格不匹配所形成的應(yīng)力與缺陷密度，提升了硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。
[0034]以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0035]在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法具體包括以下步驟:
1、以NdPAl為原料在硅襯底上制備AlN薄膜，利用磁控濺射產(chǎn)生的等離子體將氬原子離化為氬離子，轟擊鋁靶材將鋁原子濺射出，鋁原子向硅襯底迀移并與氮原子結(jié)合形成非晶的AlN薄膜?？刂拼趴貫R射電流為DC、功率為3500W，硅襯底的溫度為400°C，在硅襯底上沉積一層厚度為30nm的AlN薄膜。
[0036]2、將沉積一層高質(zhì)量AlN薄膜的硅襯底置于MOCVD腔體中，升溫至1050°C，對AlN薄膜在MOCVD腔體中進(jìn)行熱退火，熱退火氣氛為氮?dú)狻錃?、氨氣的混合氣體，控制腔體混合氣體中的氮?dú)狻錃?、氨氣的體積比為1:8:1 (即氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為0.1，氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.8，氨氣體積分?jǐn)?shù)為0.1)，熱退火時間為120s，使得非晶的AlN薄膜形成AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層。
[0037]3、在1100°C、50Torr條件下，生長Ium厚度的高溫AlN層。
[0038]4、在 110(TC、50 Torr條件下，生長Ium厚度的Altx8Gatx2N層。
[0039]5、在 110(TC、100 Torr條件下，生長Ium厚度的AluGa0.6N層。
[0040]6、在 1080°C、100 Torr 條件下，生長 Ium 厚度的 Al 0.4Ga0.6N/GaN 超晶格層，八10.46&().6~/^1'1超晶格層為依次層疊的41().463().61^層與631'1層。
[0041 ] 7、在1080°C、100 Torr條件下，生長2um厚度的η型GaN層。
[0042]8、在700?900°C、300 Torr條件下，生長量子阱發(fā)光層。
[0043]9、在850?950 °C、200 Torr條件下，生長p型GaN層。
[0044]應(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)施例中各外延層的生長條件、AlN薄膜的退火條件等工藝參數(shù)均為一優(yōu)選參數(shù)，在其他實(shí)施例中可以設(shè)置為其他滿足條件的參數(shù)，本發(fā)明中不再一一舉例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0045]由以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
采用N2取代NH3作為氮源，可以降低氮源與硅襯底在界面反應(yīng)形成氮化硅的可能性，提升了磁控濺射沉積的AlN薄膜的質(zhì)量；
對AlN薄膜進(jìn)行熱退火以形成AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層，有效降低了因磊晶膜晶格不匹配所形成的應(yīng)力與缺陷密度，提升了硅基氮化鎵LED的光電轉(zhuǎn)化效率。
[0046]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0047]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種硅基氮化鎵LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括: 51、以NdPAl為原料在硅襯底上制備AlN薄膜，利用磁控濺射產(chǎn)生的等離子體將氬原子離化為氬離子，轟擊鋁靶材將鋁原子濺射出，鋁原子向硅襯底迀移并與氮原子結(jié)合形成非晶的AlN薄膜； 52、升溫對AlN薄膜在MOCVD腔體中進(jìn)行熱退火，熱退火氣氛為氮?dú)?、氫氣、氨氣的混合氣體，使得非晶的AlN薄膜形成AlN納米晶核結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層； 53、在AlN緩沖層上外延生長插入層； 54、在插入層上外延生長η型GaN層、量子講發(fā)光層、及P型GaN層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步驟SI中，磁控濺射采用直流電，功率為1000?5000W。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步驟SI中，AlN薄膜的生長溫度為100?800 cC O4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步驟SI中，AlN薄膜的厚度為5?50nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S2中，AlN薄膜的熱退火溫度為 1030?120(TC。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S2中，AlN薄膜的熱退火時間為10~300so7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S2中，熱退火氣氛的混合氣體中，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為O?0.5，氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.2?I，氨氣體積分?jǐn)?shù)為O?0.5。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S2中，熱退火氣氛的混合氣體中，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為0.I，氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.8，氨氣體積分?jǐn)?shù)為0.1。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述插入層為高溫AlN層、AlGaN層、AlN/AlGaN超晶格層、AlGaN/GaN超晶格層中的一種或多種的組合。
【文檔編號】H01L33/00GK105914270SQ201610487972
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】馮猛, 陳立人, 劉恒山
【申請人】聚燦光電科技股份有限公司