CN105590839B - 氮化物底层、发光二极管及底层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化物底层、发光二极管及底层制备方法，采用物理气相法沉积氮化铝层：在沉积过程中于反应腔室中通入氧元素，以形成含有氧元素的氮化铝层；再利用物理性质的电浆对所述氮化铝层表面进行处理，降低氮化铝层表面氧元素含量，形成氮化铝改质层；其中，所述改质层表面形貌与前述步骤中氮化铝层表面形貌一致，通过降低改质层表面氧元素含量，减小其表面能态，增加与缓冲层之间的成键几率，同时减小与缓冲层之间的晶格差异，降低发光二极管的底层应力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备领域，具体为一种可以减小应力的氮化物底层、发光二极管及底层制备方法。
背景技术
物理气相沉积法（PVD法）具有工艺过程简单、对环境污染小、原材消耗少、成膜均匀致密、与基板的结合力强等特点，目前被越来越多地应用于半导体元件的制备中，通常较多地用于底层的制备，例如沉积氮化铝层作为缓冲层，而在现有工艺中，为调节氮化铝层表面极性，常在沉积过程中通入适量氧元素，以利于后续外延层的生长。然而，虽然氧元素可调节了氮化铝层表面极性，但氧元素并入氮化铝层后增加了氮化铝层与后续外延层，例如AlGaN材料层之间的晶格差异，造成底层与外延层之间因晶格失配和热失配产生的缺陷和应力的增加，降低了半导体元件的器件质量及其光输出效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了氮化物底层及其制备方法，采用物理气相法（PVD法）沉积氮化铝层：在沉积过程中于反应腔室中通入氧元素，消除氮化铝层的表面极性；再利用电浆对所述氮化铝层表面进行轰击处理，降低氮化铝层表面氧元素含量，形成改质层；其中，所述改质层表面形貌与前述步骤中氮化铝层表面形貌一致，通过降低改质层表面氧元素含量，减小其表面能态，增加氮化铝与缓冲层材料之间的成键几率，减小与缓冲层之间的晶格差异，降低发光二极管的底层应力。
本发明提供的技术方案为：氮化物底层制备方法，包括如下步骤：
1）提供一衬底，对所述衬底表面进行清洁处理；
2）在所述衬底的表面利用物理气相法沉积氮化铝层：在沉积过程中于反应腔室中通入氧元素，消除氮化铝层的表面极性；
3）利用电浆对所述氮化铝层表面进行轰击处理，降低氮化铝层表面氧元素含量，形成改质层，减小与后续沉积层之间的晶格差异；
4）利用MOCVD 法于所述改质层表面沉积AlxGa1-xN缓冲层0 ≤x≤1。
优选的，在步骤3）所述电浆处理过程中，氧元素与电浆物质结合后逸出，降低氮化铝层的氧元素含量，减小表面能态，增加与缓冲层材料之间的成键率，减小底层应力。
优选的，所述电浆为氮气、氩气、氦气、氖气其中一种或多种的电离化粒子。
优选的，所述电浆处理时间为5～200s。
优选的，所述改质层厚度为5埃~50埃。
优选的，步骤2）所述氮化铝层厚度为25埃~500埃。
优选的，所述步骤2）沉积的氮化铝层中氧元素含量为1×1020～9×1023cm-3。
优选的，步骤3）所述改质层中氧元素含量小于1×1018 cm-3。
优选的，所述缓冲层的厚度为5～40nm。
本发明也提出一氮化物底层，包括氮化铝层、改质层和缓冲层，所述改质层是通过物理性质的电浆轰击氮化铝层表面降低氧元素含量形成的，所述改质层通过减小与缓冲层之间的晶格差异，减小底层应力。
同时，本发明亦提出具有上述底层结构的发光二极管，从下至上包括：衬底、底层结构、N型层、发光层和P型层，其中，所述底层包括氮化铝层、改质层和缓冲层，所述改质层是通过电浆轰击氮化铝层表面降低氧元素含量形成的，所述改质层通过减小与缓冲层之间的晶格差异，减小发光二极管的底层应力。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明采用物理气相法沉积氮化铝层，并在沉积过程中于反应腔室中通入氧元素，以消除所述衬底表面极性造成的氮化铝层表面极性；再利用电浆对所述氮化铝层表面进行轰击处理，氧元素在电浆处理过程中与电浆物质结合，逸出氮化铝层，形成氧含量低于1×1018 cm-3的改质层。所述改质层通过降低氧元素含量，减小其表面能态，增加与缓冲层之间的成键几率；同时减小与缓冲层之间的晶格差异，降低发光二极管的底层应力，改善发光二极管翘曲异常。因为改质层表面形貌与前述步骤中氮化铝层表面形貌一致，依然具有致密的晶体结构，从而提升后续沉积的外延层晶体质量，提升发光二极管质量，改善发光效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明实施例之氮化物底层制备方法流程图。
图2为本发明实施例之氮化物底层结构示意图。
图3为本发明实施例之具有本发明底层结构的发光二极管结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例1
参看图1～2，对于本发明实施的氮化物底层、发光二极管及底层制备方法，下面进行详细说明。
首先，提供衬底100，衬底100的选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅，其表面结构可为平面结构或图案化结构。在本实施例中，采用蓝宝石图案化衬底。
接着，将衬底100置入PVD腔室并对衬底表面进行清洁处理，调节腔室温度为20～200℃或200～1100℃，压力为2～10mtorr，利用PVD 法沉积厚度为25~500埃的氮化铝层210，在沉积过程中通入氧气，使沉积的氮化铝层210中含有浓度为1×1020～9×1023cm-3的氧元素。由于三族氮化物半导体的自然结晶型是六角纤锌矿结构(Wurtzite)结构，在生长的过程中晶格变化会产生两种极化现象（一种是自发极化，另一种是压电极化），而利用PVD法沉积的氮化铝膜层为多晶结构，其极化现象较MOCVD法形成的单层晶体氮化铝膜层更明显，造成的极性也更为突出。但如果用MOCVD法形成氮化铝层，则由于MOCVD条件限制，无法通入氧元素调节氮化铝层极性，且MOCVD法形成的氮化铝层质量较PVD法偏低，故现有技术中常采用PVD法形成氮化铝层，且在沉积过程中通入适量氧元素，消除氮化铝层带隙的表面态，引入与氧相关的表面态，扭转氮化铝层的表面极性，使之与后续生长的外延层极性相匹配。
然而，虽然氧元素的并入扭转了氮化铝层的表面极性，但同时也增加了氮化铝层与后续外延层之间的晶格差异，导致生长后续外延层存在较大的应力，故本发明在沉积氮化铝层210结束后再利用电浆对氮化铝层210 的表面进行轰击处理，其处理时间为5～200s。电浆材料选自氮气、氩气、氦气、氖气的电离化粒子中的一种或多种组合，本实施例选用氮气电离粒子。由于电离粒子具有较高的势能，其与氮化铝层210表面的氧原子作用较易形成共价键，使氧原子逸出氮化铝层210，形成氧含量低于1×1018 cm-3的改质层220，其厚度为5埃~50埃。由于氧原子的逸出，改质层220的晶格常数与后续氮化物外延层的晶格常数更为匹配，从而有益于后续外延层的生长。故本发明利用电浆轰击处理氮化铝层表面降低表面层氧元素含量，降低晶格差异，同时又利用沉积过程中通入氧元素减小氮化铝层的极性，调节表面极性与晶格差异两者之间的平衡，实现后续沉积外延层质量的提升。
接着，将处理形成改质层220 的衬底转入CVD 腔室，并调节腔室温度为400～900℃，通入金属源、NH3、H2 外延生长AlxGa1-xN层2300 ≤x≤1，该层厚度为5～40nm，覆盖于改质层220表面。氮化铝层210、改质层220和缓冲层230共同组成发光二极管的底层，图2显示了生长AlxGa1-xN缓冲层230后底层结构示意图。在此过程中，所述改质层220通过降低氧元素含量，减小表面能态，增加与缓冲层230材料原子之间的成键几率，且由于改质层220中氮化铝材料层与缓冲层230中AlxGa1-xN材料层之间的晶格差异较小，减小生长过程中应力的产生，从而改善发光二极管的翘曲，提升发光二极管晶体质量。
此外，在上述方法中，改质层220较氮化铝层210仅是氧原子逸出，氮原子和铝原子重组，在原子力显微镜观察下，改质层220表面形貌与氮化铝层210处理前的表面形貌一致，因此保留了PVD法沉积氮化铝层提升MOCVD法生长外延层晶体质量的优点。
同时，参看附图3，本发明亦提出具有上述底层结构200的发光二极管结构，从下至上包括：衬底100、底层结构200、N型层300、发光层400和P型层500，其中，所述底层200包括氮化铝层210、改质层220和缓冲层230，所述改质层220通过电浆轰击氮化铝层210表面降低氧元素含量形成，所述改质层220通过减小与缓冲层230之间的晶格差异，减小发光二极管的底层应力。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。
Claims (10)
1.氮化物底层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提供一衬底，对所述衬底表面进行清洁处理；
2）在所述衬底的表面利用物理气相法沉积氮化铝层：在沉积过程中于反应腔室中通入氧元素，消除氮化铝层表面极性；
3）利用电浆对所述氮化铝层表面进行轰击处理，降低氮化铝层表面氧元素含量，形成改质层，减小与后续沉积层之间的晶格差异；所述电浆为氮气、氩气、氦气、氖气其中一种或多种的电离化粒子；所述改质层材料为氧元素含量小于1×1018 cm-3的氮化铝；
4）利用MOCVD 法于所述改质层表面沉积AlxGa1-xN缓冲层0 ≤x≤1。
2.根据权利要求1所述的氮化物底层制备方法，其特征在于：在步骤3）所述电浆处理过程中，氧元素与电浆物质结合后逸出，降低氮化铝层的氧元素含量，减小表面能态，增加与缓冲层材料之间的成键率，减小底层应力。
3.根据权利要求1所述的氮化物底层制备方法，其特征在于：所述改质层表面形貌与步骤2）所述氮化铝层表面形貌一致。
4.根据权利要求1所述的氮化物底层制备方法，其特征在于：所述步骤2）沉积的氮化铝层中氧元素含量为1×1020～9×1023cm-3。
5.根据权利要求1所述的氮化物底层制备方法，其特征在于：所述电浆处理时间为5～200s。
6.根据权利要求1所述的氮化物底层制备方法，其特征在于：所述改质层厚度为5埃~50埃。
7.根据权利要求1所述的氮化物底层制备方法，其特征在于：步骤2）所述氮化铝层厚度为25埃~500埃。
8.根据权利要求1所述的氮化物底层制备方法，其特征在于：所述缓冲层的厚度为5～40nm。
9.氮化物底层，其特征在于：所述底层包括氮化铝层、改质层和缓冲层，所述改质层是通过电浆轰击氮化铝层表面降低氧元素含量形成的，所述改质层通过减小与缓冲层之间的晶格差异，减小底层应力；所述电浆为氮气、氩气、氦气、氖气其中一种或多种的电离化粒子；所述改质层材料为氧元素含量小于1×1018 cm-3的氮化铝。
10.发光二极管，从下至上包括：衬底、底层结构、N型层、发光层和P型层，其特征在于：所述底层包括氮化铝层、改质层和缓冲层，所述改质层是通过电浆轰击氮化铝层表面降低氧元素含量形成的，所述改质层通过减小与缓冲层之间的晶格差异，减小发光二极管的底层应力；所述电浆为氮气、氩气、氦气、氖气其中一种或多种的电离化粒子；所述改质层材料为氧元素含量小于1×1018 cm-3的氮化铝。
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