CN105633223A - AlGaN模板、AlGaN模板的制备方法及AlGaN模板上的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaN模板、AlGaN模板的制备方法及AlGaN模板上的半导体器件，属于半导体技术领域。AlGaN模板包括：衬底和在衬底上沉积的Al1-xGaxN结晶薄膜，0<x<1。半导体器件包括：模板和氮化物半导体层，所述模板为前述AlGaN模板，所述氮化物半导体层沉积在所述Al1-xGaxN结晶薄膜上。方法包括：提供衬底；在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，0<x<1。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种AlGaN模板、AlGaN模板的制备方法及AlGaN模板上的半导体器件。
背景技术
目前，大部分GaN基蓝光发光二极管(英文：lightemittingdiode，缩写：LED)与GaN基白光LED采用蓝宝石衬底。由于蓝宝石和GaN材料一直存在晶格失配和热失配问题，而AlN材料与GaN材料、蓝宝石衬底间仅有较小的晶格不匹配，因此将AlN作为缓冲层置入到蓝宝石衬底和GaN之间。具体地，先在蓝宝石衬底上生长一AlN缓冲层，制成AlN模板，再在AlN模板上生长GaN外延，制成LED外延片。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
AlN缓冲层的晶格常数小于GaN和蓝宝石，在AlN模板上生长GaN外延时，将导致后续GaN外延积累较大的压应力，在生长GaN外延中的量子阱结构时外延片处于翘曲状态，使得量子阱结构的生长温度不均匀，外延片波长均匀性较差，从而导致无法进行高良率的外延片的量产。图1示出了基于4英寸AlN模板的LED外延片的光致发光(英文：photoluminescence，缩写：PL)波长分布(英文：mapping)图，从图1可以看到，外延片边缘(A点)波长为458nm，外延片中心(B点)波长为468nm，中心和边缘的波长差达10nm，整片的波长标准方差达4.18nm，而合格的外延片要求波长标准方差为2nm，因此该外延片未达到合格要求。
发明内容
为了解决在现有的AlN模板上生长GaN外延时，导致后续GaN外延积累较大的应力，在生长GaN外延中的量子阱结构时外延片处于翘曲状态，使得量子阱结构的生长温度不均匀，外延片波长均匀性较差，从而导致无法进行高良率的外延片的量产的问题，本发明实施例提供了一种AlGaN模板、AlGaN模板的制备方法及AlGaN模板上的半导体器件。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种AlGaN模板，包括衬底，所述AlGaN模板还包括在所述衬底上沉积的Al1-xGaxN结晶薄膜，0<x<1。
在第一方面的第一实施方式中，所述Al1-xGaxN结晶薄膜的厚度为1nm～1000nm。
在第一方面的第二实施方式中，所述Al1-xGaxN结晶薄膜包括在所述衬底上沉积的第一AlGaN层，所述第一AlGaN层中掺有氧。
在第一方面的第三实施方式中，从所述衬底与所述第一AlGaN层界面到所述第一AlGaN层的表面的方向，所述第一AlGaN层中的氧的含量是逐渐减少或逐渐增多的。
在第一方面的第四实施方式中，所述Al1-xGaxN结晶薄膜还包括在所述第一AlGaN层上沉积的第二AlGaN层，所述第二AlGaN层中掺有氧且所述第二AlGaN层中的氧是均匀分布在所述第二AlGaN层中的，所述第二AlGaN层的厚度大于1nm。
在第一方面的第五实施方式中，所述衬底为Si、SiC、蓝宝石、ZnO、GaAs、GaP、MgO、Cu、W或SiO2衬底。
第二方面，提供了一种AlGaN模板上的半导体器件，包括模板和在所述模板上生长的氮化物半导体层，
所述模板为前述AlGaN模板，所述氮化物半导体层沉积在所述Al1-xGaxN结晶薄膜上。
第三方面，提供了一种AlGaN模板的制备方法，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，0<x<1。
在第三方面的第一实施方式中，在所述衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，包括：
将所述衬底布置在真空环境中，并对所述衬底进行烘烤；烘烤时间为1～15分钟，烘烤温度为300～900摄氏度，烘烤压力小于10-7Torr；
完成烘烤后，在至少混合了Ar和N2的气体氛围下，对铝镓合金靶材进行溅射，以在所述衬底上沉积所述Al1-xGaxN结晶薄膜；沉积温度为400～800摄氏度，沉积压力为在1～10mTorr，溅射功率为1KW～10KW，溅射时长为10秒～1000秒。
在第三方面的第二实施方式中，在所述衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，包括：
将所述衬底布置到氮气氛围或者氮离子束流中；
再在所述氮气氛围或者所述氮离子束流中，采用电子束蒸发Al源和Ga源，以在所述衬底上沉积所述Al1-xGaxN结晶薄膜；沉积压力为2×10-5～7×10-5Torr，沉积温度为100～400摄氏度，沉积时间为10秒～1000秒。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，形成AlGaN模板，后续在AlGaN模板上生长GaN外延时，相较于在AlN模板上生长GaN外延，由于Ga原子和Al原子同属族半导体，适量的Ga原子的掺入，不会对在AlGaN模板上生长的GaN外延的晶体质量有明显影响。而由于Ga原子半径较Al原子大，掺入Ga原子的AlGaN模板和AlN模板相比，其晶格常数同后续的GaN外延层更加接近。因此，采用AlGaN模板生长GaN外延，可以缓解GaN外延中的压应力，改善生长量子阱时外延片的翘曲。同时由于GaN材料的结晶温度较AlN材料低，在AlN模板中掺入适当的Ga，有利于提高模板的晶体质量，从而提高后续GaN外延材料的晶体质量。这样，该AlGaN模板在保持甚至提高后续GaN外延晶体质量的同时，减小了GaN外延层中的积累应力，优化了LED外延的波长均匀性，有了实现AlGaN模板上外延片大规模量产的可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于现有的4英寸AlN模板制备的LED外延片的PL波长mapping图；
图2是本发明第一实施例提供的一种AlGaN模板的结构示意图；
图3是本发明第二实施例提供的一种AlGaN模板的结构示意图；
图4是本发明第三实施例提供的一种AlGaN模板的制备方法的流程图；
图5是本发明第四实施例提供的一种AlGaN模板上的半导体器件的结构示意图；
图6是本发明第四实施例提供的4英寸LED外延片的PL波长mapping图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图2示出了本发明第一实施例提供的一种AlGaN模板，如图2所示，该AlGaN模板包括衬底10和在衬底10上沉积的Al1-xGaxN结晶薄膜11，0<x<1。
其中，本实施例不限定衬底10的种类，衬底10可以为Si、SiC、蓝宝石、ZnO、GaAs、GaP、MgO、Cu、W或SiO2衬底。
在实现时，可以采用物理气相沉积(英文：PhysicalVaporDeposition，缩写：PVD)工艺或电子束蒸发工艺在衬底上沉积该Al1-xGaxN结晶薄膜11。当采用PVD工艺在衬底10上沉积该Al1-xGaxN结晶薄膜11时，Al1-xGaxN结晶薄膜11中的Al和Ga来源于铝镓合金靶材。当采用电子束蒸发工艺在衬底10上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜11时，Al1-xGaxN结晶薄膜11中的Al和Ga来源于铝镓合金、或者金属铝源和金属镓源，金属铝源和金属镓源可以位于分立坩埚中。
其中，Al1-xGaxN结晶薄膜11的厚度可以为1nm～1000nm。
在实现时，该AlGaN模板适用于生长GaN外延，例如制成GaN基LED。
通过在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，形成AlGaN模板，后续在AlGaN模板上生长GaN外延时，相较于在AlN模板上生长GaN外延，由于Ga原子和Al原子同属族半导体，适量的Ga原子的掺入，不会对在AlGaN模板上生长的GaN外延的晶体质量有明显影响。而由于Ga原子半径较Al原子大，掺入Ga原子的AlGaN模板和AlN模板相比，其晶格常数同后续的GaN外延层更加接近。因此，采用AlGaN模板生长GaN外延，可以缓解GaN外延中的压应力，改善生长量子阱时外延片的翘曲。同时由于GaN材料的结晶温度较AlN材料低，在AlN模板中掺入适当的Ga，有利于提高模板的晶体质量，从而提高后续GaN外延材料的晶体质量。这样，该AlGaN模板在保持甚至提高后续GaN外延晶体质量的同时，减小了GaN外延层中的积累应力，优化了LED外延的波长均匀性，有了实现AlGaN模板上外延片大规模量产的可行性。
图3示出了本发明第二实施例提供的一种AlGaN模板，在本实施例中，将对第一实施例描述的Al1-xGaxN结晶薄膜11进行详细介绍。其中，本实施例与第一实施例相同或相似的内容，请参见第一实施例。
如图3所示，Al1-xGaxN结晶薄膜11包括在衬底上沉积的第一AlGaN层31，第一AlGaN层31中掺有氧(O)。
第一AlGaN层31中掺的氧可以来源于在第一AlGaN层31的沉积过程中掺入的氧气或含氧气体。含氧气体包括但不限于氧化氢(H2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)。
第一AlGaN层31中掺入的O原子，一部分会替代AlGaN中N原子，另一部分会形成填隙原子。由于O原子半径比N原子大，这部分替位O原子和填隙O原子，都会使AlGaN晶格产生一定的畸变，增加Al1-xGaxN薄膜的晶格常数，这将使Al1-xGaxN薄膜和后续GaN外延薄膜的晶格常数更接近，从而有利于在AlGaN模板上生长GaN外延时减小GaN材料中的压应力，改善生长量子阱时外延片的翘曲，进而改善基于AlGaN模板上外延层的波长均匀性。同时掺入适量的氧，也能增加AlGaN模板的抗氧化能力，提高AlGaN模板曝露空气下或空气中长时间存放的稳定性，进而提高AlGaN模板上半导体外延材料特性的稳定和一致性。
其中，氧在第一AlGaN层31中可以是均匀分布的，例如，从衬底10与第一AlGaN层31界面到第一AlGaN层31的表面的方向，第一AlGaN层31中的氧的含量是固定不变的。氧在第一AlGaN层31中也可以是不均匀分布的，例如，从衬底10与第一AlGaN层31界面到第一AlGaN层31的表面的方向，第一AlGaN层31中的氧的含量是逐渐减少的，或者第一AlGaN层31中的氧的含量是逐渐增多的，或者第一AlGaN层31中的氧的含量先逐渐变化(增多或减少)再固定不变最后逐渐变化。
优选的，从衬底10与第一AlGaN层31界面到第一AlGaN层31的表面的方向，第一AlGaN层31中掺的氧的含量是逐渐减少或逐渐增多的。
此外，当衬底10为蓝宝石衬底时，在第一AlGaN层31中采用掺杂氧逐渐减少的方式，还有利于蓝宝石衬底(Al2O3)和Al1-xGaxN结晶薄膜11界面的缺陷降低，提高界面的键合力。而当衬底10为蓝宝石衬底时，在第一AlGaN层31中采用掺杂氧逐渐增多的方式，制备的AlGaN模板表面氧组分最高，这样能提高AlGaN模板长期存放的抗氧化能力，提高量产中AlGaN模板的稳定性和一致性。
以氧的含量是逐渐增多为例，介绍一下氧的含量的变化方式。从第一AlGaN层31与衬底10界面到第一AlGaN层31的表面的方向，第一AlGaN层31中的氧的含量可以是以连续变化的方式增多，也可以是以间隔变化的方式增多，还可以是以将连续变化和间隔变化两种方式结合的方式增多。
实现时，可以在第一AlGaN层31的成膜过程中，控制掺入的氧气或含氧气体的流量随时间递增，比如随时间线性递增，这样，第一AlGaN层31中的氧的含量是以连续变化的方式增多。类似的，可以在第一AlGaN层31的成膜过程中，每间隔一定时间增多掺入的氧气或含氧气体的流量，这样，第一AlGaN层31中的氧的含量是以间隔变化的方式增多。类似的，可以在第一AlGaN层31的成膜过程中，一段时间内控制掺入的氧气或含氧气体的流量随时间递增，另一段时间内控制掺入的氧气或含氧气体的流量每间隔一定时间增多，这样，第一AlGaN层31中的氧的含量是以将连续变化和间隔变化两种方式结合的方式增多。
试验表明，在AlGaN层中掺入过多的O会使得AlGaN层本身的晶体质量出现下降，进而影响后续GaN外延薄膜的晶体质量，不能体现AlGaN模板晶体质量佳的优势。而通过从第一AlGaN层31与衬底10界面到第一AlGaN层31的表面的方向，第一AlGaN层31中的氧的含量逐渐增多或逐渐减少，这样，一部分第一AlGaN层31包含较少的掺氧量，能使第一AlGaN层31保有较好的晶体质量，从而体现AlGaN模板上GaN外延薄膜晶体质量佳的优势；另一部分第一AlGaN层31包含较多的掺氧量，将使第一AlGaN层31中的晶格常数同后续GaN外延薄膜更加接近，减小后续GaN外延薄膜中的压应力，从而提高LED外延片的波长均匀性。
其中，在第一AlGaN层31中，氧的含量可以为第一AlGaN层31中氮含量的1～10％。优选的，氧的含量可以为第一AlGaN层31中氮含量的2％。
通过控制第一AlGaN层31中的氧的含量和氧的含量的变化方式，可以和后续的GaN外延生长工艺灵活搭配互补，可以在不同GaN外延生长工艺上都实现较佳的LED外延片波长均匀性。
作为可选的实施方式，第一AlGaN层31由若干AlGaN子层层叠而成，且从第一AlGaN层31与衬底10界面到第一AlGaN层31的表面的方向，若干AlGaN子层中的氧的含量是逐层增多或逐层减少的。
其中，单个AlGaN子层中的氧是均匀分布的，或者，单个AlGaN子层中的氧是不均匀分布的。如果从第一AlGaN层31与衬底10界面到第一AlGaN层31的表面的方向，单个AlGaN子层中的氧的含量是不变的，那么，单个AlGaN子层中的氧是均匀分布的，这时，第一AlGaN层31中的氧的含量是以间隔变化的方式增多。如果从第一AlGaN层31与衬底10界面到第一AlGaN层31的表面的方向，单个AlGaN子层中的氧的含量是渐变的(比如递增)，那么，单个AlGaN子层中的氧是不均匀分布的，这时，第一AlGaN层31中的氧的含量是以连续变化的方式变化。如果从第一AlGaN层31与衬底10界面到第一AlGaN层31的表面的方向，若干AlGaN子层中，一部分AlGaN子层中的氧的含量是不变的，另一部分AlGaN子层中的氧的含量是逐渐增加或减少的，那么，单个AlGaN子层中的氧也是不均匀分布的，这时，第一AlGaN层31中的氧的含量是以将连续变化和间隔变化两种方式结合的方式变化。
其中，任意两个AlGaN子层的厚度可以相同，也可以不同。
可选的，AlGaN子层的数量为1～50，AlGaN子层的厚度为1～10nm。
优选的，AlGaN子层的数量为5～10，AlGaN子层的厚度为2～5nm。
作为优选的实施方式，单个AlGaN子层中的氧是均匀分布的。当单个AlGaN子层中的氧是均匀分布时，将使每一AlGaN子层具有一定的厚度，每层厚度在1-10nm较好，较优的为2-5nm。一定厚度的掺氧AlGaN子层，将使Al1-xGaxN薄膜有充分的时间和厚度释放氧原子带来的应力，同时实现较好的Al1-xGaxN结晶膜层晶体质量。
可选的，再次参见图3，Al1-xGaxN结晶薄膜还包括沉积在第一AlGaN层31上的第二AlGaN层32。第二AlGaN层32中也掺有氧且第二AlGaN层32中掺的氧是均匀分布在第二AlGaN层32中的。第二AlGaN层32的厚度大于1nm。
从第一AlGaN层31与第二AlGaN层32界面到第二AlGaN层32的表面的方向，第二AlGaN层32中掺的氧的含量是固定的。
具体地，与第一AlGaN层31类似，第二AlGaN层32中掺的氧也可以来源于在第二AlGaN层32的沉积过程中掺入的氧气或含氧气体。
可选的，从第一AlGaN层31到第二AlGaN层32，氧的含量逐渐增多或逐渐减少。
优选的，第二AlGaN层32的厚度为3nm～5nm。
通过将Al1-xGaxN薄膜的表层设置为厚度大于1nm的第二AlGaN层32，第二AlGaN层32中的氧是均匀分布的，这能使得AlGaN模板表层的应力状况保持最大限度的稳定和一致，确保不同批次生产出来的AlGaN模板应力稳定可控，在批量生产中有利于实现后续GaN外延层中应力的稳定，从而最大限度的实现批量生长中波长均匀性的稳定控制。
图4示出了本发明第三实施例提供的一种AlGaN模板的制备方法，适用于第一实施例或第二实施例提供的AlGaN模板。如图4所示，该方法包括如下步骤。
步骤401、提供衬底。
衬底可以为Si、SiC、蓝宝石、ZnO、GaAs、GaP、MgO、Cu、W或SiO2衬底。优选的，该衬底为蓝宝石衬底。
步骤402、在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，0<x<1。
以采用电子束蒸发工艺在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜为例，介绍一下Al1-xGaxN结晶薄膜的沉积过程，该沉积过程包括步骤4021和步骤4022。
步骤4021、将衬底布置到氮气氛围或者氮离子束流中。
具体地，首先，将衬底片安装到镀锅上，然后将镀锅装入电子束蒸发机台蒸发腔室。其次，对蒸发腔室抽真空到10-6Torr以下，继续抽10分钟以减少蒸发腔室残余其他，同时加热到沉积目标温度。沉积目标温度可以是100～400摄氏度，较好的为300摄氏度。然后，向蒸发腔室通入N2，并保持N2分压在2×10-5～7×10-5Torr。其中N2的流量可以是2-100sccm，较好的为30sccm。通入N2后，可以稳定1-3分钟。或者，可以采用N离子源做为N来源，离子源功率可以是1-5KW。
需要说明的是，假若Al1-xGaxN结晶薄膜中掺有氧，则步骤4021包括：将衬底布置到混合有氮气和氧气(氧气可以由含氧气体替代)的氛围中，或者将衬底布置到氮离子束流和氧离子束流中。
步骤4022、在氮气氛围或者氮离子束流中，采用电子束蒸发Al源和Ga源，以在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜；沉积压力为2×10-5～7×10-5Torr，沉积温度为100～400摄氏度，沉积时间为10秒～1000秒。
在采用电子束蒸发Al源和Ga源之前，还可以先去除Al源和Ga源两种金属源的表面杂质。具体地，先使镀锅旋转，再开启电子枪产生电子束。当电子枪的功率缓慢升高到大约总功率的20％时，开始稳定功率融源约2分钟，以去除坩埚中金属源的表面杂质。
在去除坩埚中金属源的表面杂质之后，打开蒸发腔室中的蒸发挡板(用于隔离镀锅和坩埚)，同时使蒸发速率稳定在2A/s(2A/s可以是速率控制模式，速率控制模式将自动控制电子束输出功率)，此时电子束蒸发的金属原子会沉积在衬底上，并同反应气体N2形成金属氮化物AlGaN。通过控制电子束交替在Al源和Ga源的蒸发时间，能够调整Al1-xGaxN结晶膜中Ga原子的掺入比例，如Al源和Ga源分别交替蒸发0.9s和0.1s，能得到Ga：Al＝1:9的AlGaN薄膜。其中，沉积时间由所需薄膜的厚度决定。例如，所需的沉积总厚度为30nm，电子束蒸发机台配置有自动监测沉积厚度的装置(一般是晶振)，可以在沉积前就设定厚度为30nm。当该装置监测Al1-xGaxN结晶膜到达设定厚度后(30nm约需要沉积150s)，电子束蒸发机台的蒸发挡板将自动关闭，隔离衬底和电子束蒸发的金属原子。
在蒸发挡板关闭后，逐步降低电子枪功率为0，关闭电子枪电源，同时降低沉积室温度。当温度低于50度时，开始破真空。沉积室真空达到1个大气压时，打开沉积腔室，取出镀锅和衬底片，即得到所需的AlGaN模板。
再以采用PVD工艺在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜为例，介绍一下Al1-xGaxN结晶薄膜的沉积过程，该沉积过程包括步骤4023和步骤4024。
步骤4023、将衬底布置在真空环境中，并对衬底进行烘烤；烘烤时间为1～15分钟，烘烤温度为300～900摄氏度，烘烤压力小于10-7Torr。
具体地，首先，将衬底放置于SiC材质的托盘上，并将托盘放入PVD溅射机台，并传送至机台沉积腔室。其次，在衬底放入后，对沉积腔室进行抽真空，抽真空的同时开始对衬底进行加热升温。本底真空抽至低于10-7Torr时，将加热温度稳定在300～900摄氏度，对衬底进行烘烤，烘烤时间为1～15分钟。
步骤4024、完成烘烤后，在至少混合了Ar和N2的气体氛围下，对铝镓合金靶材进行溅射，以在衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜；沉积温度为400～800摄氏度，沉积压力为1～10mTorr，溅射功率为1KW～10KW，溅射时长为10秒～1000秒。
其中，该溅射时长为Al1-xGaxN薄膜的沉积时间。溅射功率和溅射时长影响Al1-xGaxN薄膜的厚度，当溅射功率为1KW～10KW，溅射时长为10秒～1000秒时，Al1-xGaxN薄膜的厚度为1～1000nm。
其中，Ar：N2的流量比可以为1：3～1：10。
其中，沉积的Al1-xGaxN薄膜的Ga含量可以通过调整铝镓合金靶材中Al和Ga成份比例、及溅射功率、溅射气氛Ar/N比、溅射压力来控制。比如说采用Ga含量20％的AlGa合金靶材，可以实现Ga含量为15％-25％的Al1-xGaxN模板的制备，如设定Ar/N溅射气体比例1:5，沉积压力为4.0mTorr，溅射功率为2KW的工艺实现，则可获得Ga含量为20％的Al1-xGaxN模板。通过调整溅射工艺，可以改变Al1-xGaxN模板中的Ga含量，如增加(降低)沉积压力，Al1-xGaxN模板中的Ga含量将增加(降低)。
作为可选的实施方式，Al1-xGaxN结晶薄膜包括在衬底上沉积的第一AlGaN层，第一AlGaN层中掺有氧。步骤4024包括：完成烘烤后，在混合了Ar、N2和O2的气体氛围或者混合了Ar、N2和含氧气体的气体氛围下，对铝镓合金靶材进行溅射，以在所述衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜。
具体地，通入Ar、N2和O2(O2可以由含氧气体替代)。其中，通入的O2的流量可以为Ar和N2两者流量和的10％。在沉积过程中，Ar、N2和O2三者的总气体流量将PVD沉积腔室压力维持在1～10mTorr为佳。同时，将衬底加热温度设定到沉积温度，较好的沉积温度范围为400～800摄氏度之间。在沉积温度稳定10～60秒之后，开通溅射电源，对铝镓合金靶材进行溅射，此时将在衬底上沉积掺有氧的Al1-xGaxN结晶薄膜。其中，溅射功率视沉积速率的要求可设定为1KW～10KW，溅射时长视Al1-xGaxN结晶薄膜厚度的不同设定为10秒～1000秒。
在Al1-xGaxN结晶薄膜的沉积过程中，可以变化通入的O2的流量。例如，逐渐增多或减少通入的O2的流量。通入的O2的流量的变化方式可以是连续增多或连续减少，比如线性递增和线性递减，这样，沉积的Al1-xGaxN薄膜中的氧的含量是连续变化的。该变化方式也可以是间隔增多或间隔减少，比如阶梯递增和阶梯递减，这样，沉积的Al1-xGaxN薄膜为层叠结构，且Al1-xGaxN薄膜中的氧的含量是间隔变化的。该变化方式还可以是将连续变化和间隔变化结合起来变化。
优选地，从第一AlGaN层与衬底界面到第一AlGaN层的表面的方向，第一AlGaN层中的氧的含量是逐渐增多或逐渐减少的。则步骤4024还包括：在Al1-xGaxN结晶薄膜的沉积过程中，逐渐增多或逐渐减少通入的O2的流量。
假设沉积的第一AlGaN层中的氧的含量从衬底/第一AlGaN层界面到第一AlGaN层的表面的方向阶梯递增，那么，在沉积第一AlGaN层时，可以将第一AlGaN层分5～10层生长，每层中氧均匀分布，5～10层中的氧的含量逐层渐变。以第一AlGaN层包括6个AlGaN子层为例，在沉积第一AlGaN层时，可以设定铝镓合金靶材的溅射功率为3KW；第1个AlGaN子层到第6个AlGaN子层，每个AlGaN子层的沉积时长为10秒，这样每个AlGaN子层的沉积厚度约为4nm。并且，生长第1个AlGaN子层时通入的O2流量为Ar、N2流量和的0.5％，生长其后的第2至6个AlGaN子层时通入的氧气流量依次调整为Ar和N2流量和的1％、3％、5％、10％、15％。这样就制备出了总厚度为24nm厚，分6层进行氧掺杂量分层渐变的AlGaN模板。
假设沉积的第一AlGaN层中的氧的含量从衬底/第一AlGaN层界面到第一AlGaN层的表面的方向线性递增，那么，在沉积第一AlGaN层时，可以线性增多通入的氧气或含氧气体的流量。比如，在第一AlGaN层的沉积过程中，可以设定铝镓合金靶材的溅射功率为2KW，溅射时长为100秒，此时第一AlGaN层的厚度约为25nm。同时，在这100秒内，将O2流量由Ar和N2两者流量和的10％线性递增到Ar和N2两者流量和的12％。
可选的，Al1-xGaxN结晶薄膜还包括在第一AlGaN层上沉积的第二AlGaN层，第二AlGaN层中掺有氧且第二AlGaN层中的氧是均匀分布的；第二AlGaN层的厚度大于1nm。优选的，该第二AlGaN层的厚度是3至5nm。则，该步骤4024还包括：在沉积过程经过指定时长且还未完成沉积时，调整当前时间通入的O2或含氧气体的流量为指定流量，直到沉积结束。
优选地，当从第一AlGaN层与衬底界面到第一AlGaN层的表面的方向，第一AlGaN层中的氧的含量是逐渐减少时，该指定流量不大于指定时长内通入的O2或含氧气体的流量，这样，从第一AlGaN层到第二AlGaN层，氧的含量逐渐减少。当从第一AlGaN层与衬底界面到第一AlGaN层的表面的方向，第一AlGaN层中的氧的含量是逐渐增多时，该指定流量不小于指定时长内通入的O2或含氧气体的流量，这样，从第一AlGaN层到第二AlGaN层，氧的含量逐渐增多。
例如，假设整个沉积过程维持300秒(溅射时长)，指定时长为285秒；溅射功率为4KW，初始时间通入的O2流量为Ar、N2流量和的0.2％。在前285秒内，将通入的O2流量为Ar、N2流量和的12％线性递增到10％，在后15秒内，保持O2流量为Ar和N2流量和的10％不变，继续溅射15秒钟，得到AlGaN模板。
该第二AlGaN层将使得AlGaN模板表层的应力状况保持最大限度的稳定和一致，确保不同批次生产出来的AlGaN模板应力稳定可控，在批量生产中有利于实现后续GaN外延层中应力的稳定，从而最大限度的实现批量生长中波长均匀性的稳定控制。
沉积完毕后，将托盘传出PVD沉积腔室，对样品冷却后，即得到所需的AlGaN模板。
图5示出了本发明第四实施例提供的一种AlGaN模板上的半导体器件，如图5所示，该半导体器件包括模板51和氮化物半导体层52。其中，该模板包括衬底511和在衬底上沉积的Al1-xGaxN结晶薄膜512，氮化物半导体层52沉积在Al1-xGaxN结晶薄膜512上，0<x<1。
其中，该模板51可以是第一实施例或第二实施例提供的AlGaN模板，在此不再赘述。该AlGaN模板51的制备方法可以参见第三实施例。
其中，该氮化物半导体层52可以包括顺次层叠在Al1-xGaxN结晶薄膜512上的单层或多层n型氮化物层521、单层或多层氮化物多量子阱有源层522、单层或多层p型氮化物层523以及氮化物接触层(图未示出)。其中，氮化物多量子阱有源层522中的量子垒层包含In；p型氮化物层523包括一层或多层包含Al的电子阻挡层；氮化物接触层包括n型和p型氮化物接触层，n型氮化物接触层用于形成n电极，n型氮化物接触层位于单层或多层n型氮化物层521上；p型氮化物接触层用于形成p电极，p型氮化物接触层位于单层或多层p型氮化物层523上。
可选的，该氮化物半导体层52可以是GaN基LED外延层。优选的，GaN基LED外延层包括依次层叠在Al1-xGaxN结晶薄膜512上的第一高温GaN层、第二高温GaN层、n型GaN层、多量子阱有源层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层和p型InGaN接触层。
实现时，该GaN基LED外延层可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organicChemicalVaporDeposition，缩写：MOCVD)工艺生长。
具体地，第一高温GaN层的生长温度为950～1050摄氏度，较好的为1000摄氏度，生长压力为50～600Torr，第一高温GaN层的厚度为0.5～3微米。
第二高温GaN层的生长温度为1020-1100摄氏度，较好的为1060摄氏度，生长压力为50～600Torr，第二高温GaN层的厚度0.2～3微米。其中，第二高温GaN层中可不掺Si或轻掺Si。掺杂Si时，Si掺杂浓度为0～2×1018cm-3，较好的Si掺杂浓度为8×1017cm-3。
n型GaN层的生长温度为1020-1100摄氏度，较好的为1060摄氏度，生长压力为50～600Torr，n型GaN层的厚度为0.5～3微米，n型通过掺入Si实现，Si掺杂浓度为2×1018～5×1019cm-3，较好的Si掺杂浓度为1×1019cm-3。
多量子阱有源层中，量子阱为InGaN量子阱，其中In含量视不同波长的需要可控制在1～30％，如波长为390nm的紫光LED中In含量控制在3％，波长为450nm的蓝光LED中In含量控制在13％，而波长为520nm的绿光LED中In含量控制在20％。量子阱的厚度为1～5nm，较好的量子阱的厚度为3nm。量子垒的材料为AlGaN，Al含量可控制在0～30％，量子垒的厚度为3～50nm，较好的量子垒的厚度为12nm。量子阱对的数量为1～20个，较好的为10个量子阱对。
p型AlGaN电子阻挡层的生长温度为800～950摄氏度，Al含量可控制在10～30％，p型AlGaN电子阻挡层的厚度为10～50nm，较好的p型AlGaN电子阻挡层的厚度为25nm。p型通过掺入Mg实现，Mg的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3。
P型GaN层的生长温度为800～950摄氏度，P型GaN层的厚度为20～500nm，较好的P型GaN层的厚度为70nm。p型通过掺入Mg实现，Mg的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3。
P型InGaN接触层中，In含量可控制在0～20％，P型InGaN接触层的厚度为0.5～10nm。p型通过掺入Mg实现，P型掺杂浓度较高，以利于后续芯片加工形成欧姆接触，Mg掺杂浓度为5×1019～1×1022cm-3。
实现时，可以通过第三实施例提供的方法制备出4英寸或6英寸AlGaN模板，再采用上述MOCVD工艺在4英寸或6英寸AlGaN模板上生长GaN基LED外延层，得到4英寸或6英寸LED外延片。图6示出了4英寸LED外延片的PL波长mapping图，从图6可以看出，该外延片的中心(G点)波长为458nm，外延片的边缘(H点)波长为461nm，中心和边缘波长差为3nm，整片的波长标准方差为1.35nm，与基于现有的AlGaN模板制备的LED外延片(波长标准方差为4.18nm)相比，波长标准方差降低了接近3nm，波长均匀性得到根本性的改善。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种AlGaN模板，包括衬底，其特征在于，所述AlGaN模板还包括在所述衬底上沉积的Al1-xGaxN结晶薄膜，0<x<1。
2.根据权利要求1所述的AlGaN模板，其特征在于，所述Al1-xGaxN结晶薄膜的厚度为1nm～1000nm。
3.根据权利要求1所述的AlGaN模板，其特征在于，所述Al1-xGaxN结晶薄膜包括在所述衬底上沉积的第一AlGaN层，所述第一AlGaN层中掺有氧。
4.根据权利要求3所述的AlGaN模板，其特征在于，从所述衬底与所述第一AlGaN层界面到所述第一AlGaN层的表面的方向，所述第一AlGaN层中的氧的含量是逐渐减少或逐渐增多的。
5.根据权利要求3所述的AlGaN模板，其特征在于，所述Al1-xGaxN结晶薄膜还包括在所述第一AlGaN层上沉积的第二AlGaN层，所述第二AlGaN层中掺有氧且所述第二AlGaN层中的氧是均匀分布在所述第二AlGaN层中的，所述第二AlGaN层的厚度大于1nm。
6.根据权利要求1所述的AlGaN模板，其特征在于，所述衬底为Si、SiC、蓝宝石、ZnO、GaAs、GaP、MgO、Cu、W或SiO2衬底。
7.一种AlGaN模板上的半导体器件，包括模板和在所述模板上生长的氮化物半导体层，其特征在于，
所述模板为权利要求1至6中任一项所述的AlGaN模板，所述氮化物半导体层沉积在所述Al1-xGaxN结晶薄膜上。
8.一种AlGaN模板的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，0<x<1。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，包括：
将所述衬底布置在真空环境中，并对所述衬底进行烘烤；烘烤时间为1～15分钟，烘烤温度为300～900摄氏度，烘烤压力小于10-7Torr；
完成烘烤后，在至少混合了Ar和N2的气体氛围下，对铝镓合金靶材进行溅射，以在所述衬底上沉积所述Al1-xGaxN结晶薄膜；沉积温度为400～800摄氏度，沉积压力为在1～10mTorr，溅射功率为1KW～10KW，溅射时长为10秒～1000秒。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述衬底上沉积Al1-xGaxN结晶薄膜，包括：
将所述衬底布置到氮气氛围或者氮离子束流中；
再在所述氮气氛围或者所述氮离子束流中，采用电子束蒸发Al源和Ga源，以在所述衬底上沉积所述Al1-xGaxN结晶薄膜；沉积压力为2×10-5～7×10-5Torr，沉积温度为100～400摄氏度，沉积时间为10秒～1000秒。
Priority Applications (3)
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