CN106952988A - 一种氮化铝复合缓冲层及制备方法及氮化镓基半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化铝复合缓冲层及制备方法及氮化镓基半导体器件，所述氮化铝复合缓冲层包括：高温氮化铝成核层、高温氮化铝多孔层和脉冲供应高温氮化铝层，所述高温氮化铝成核层镀在蓝宝石衬底上，所述高温氮化铝多孔层镀在高温氮化铝成核层上，所述脉冲供应高温氮化铝层镀在所述高温氮化铝多孔层上，高温氮化铝成核层的厚度为15nm，高温氮化铝多孔层的厚度为100nm，脉冲供应高温氮化铝层的厚度为80nm。本发明提供了一种新型复合氮化铝缓冲层，使得利用MOCVD方法制备高晶体质量的氮化镓材料，进而大幅提升LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓基半导体LED技术领域，具体涉及一种氮化铝复合缓冲层及制备方法及氮化镓基半导体器件。
背景技术
目前氮化镓薄膜制备技术是利用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD，MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料)，以合适的衬底为基础，进行外延生长。其中，蓝宝石是最为常见的一种衬底。如图1所示，在外延生长氮化镓之前，需要在蓝宝石衬底01上先外延一层氮化铝缓冲层02，在此基础上再生长氮化镓薄膜层03，以实现较好的样品表面粗糙度。一般来说，氮化铝缓冲层是在低温环境下制备的(生长温度在550℃左右)。而在此缓冲层基础上生长出的氮化镓薄膜晶体质量较差，非常不利于实现高发光效率的LED。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的氮化铝复合缓冲层及制备方法及氮化镓基半导体器件，用以解决利用传统方法制备出的氮化镓薄膜质量较差的问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种氮化铝复合缓冲层，所述氮化铝复合缓冲层包括：高温氮化铝成核层和脉冲供应高温氮化铝层，所述高温氮化铝成核层镀在蓝宝石衬底上，所述脉冲供应高温氮化铝层镀在所述高温氮化铝成核层上，所述高温氮化铝成核层的厚度为15nm，所述脉冲供应高温氮化铝层的厚度为80nm。
本发明公开的上述一种氮化铝复合缓冲层，所述氮化铝复合缓冲层还包括高温氮化铝多孔层，所述高温氮化铝多孔层的厚度为100nm，所述高温氮化铝多孔层镀在所述高温氮化铝成核层上，所述脉冲供应高温氮化铝层镀在所述高温氮化铝多孔层上。
本发明公开的上述一种氮化铝复合缓冲层，所述氮化铝复合缓冲层包括数量相同的多层高温氮化铝多孔层和多层脉冲供应高温氮化铝层，所述高温氮化铝多孔层和所述脉冲供应高温氮化铝层交替分布形成高温氮化铝层叠加层，所述高温氮化铝层叠加层的底部为高温氮化铝多孔层，所述高温氮化铝层叠加层的顶部为脉冲供应高温氮化铝层。
本发明公开的上述一种氮化铝复合缓冲层，所述高温氮化铝层叠加层包括两层高温氮化铝多孔层和两层脉冲供应高温氮化铝层。
本发明还公开了一种氮化铝复合缓冲层的制备方法，所述制备方法包括：步骤一：利用MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长一层15nm的高温氮化铝成核层，生长温度为950-1100℃，V/III为90-110，气压值为55-70Torr，为接下来的生长提供成核位置；步骤二：升高温度至1150-1250℃，并调整V/III至120-160，用脉冲供应法在高温氮化铝成核层上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层，旨在提高氮化铝的表面光滑程度，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
本发明公开的上述氮化铝复合缓冲层的制备方法，所述步骤二之前还包括以下步骤：升高温度，在1050-1200℃的条件下，先在高温氮化铝成核层上生长一层100nm的高温氮化铝多孔层，然后，再在高温氮化铝多孔层上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层。
本发明公开的上述氮化铝复合缓冲层的制备方法，所述制备方法还包括以下步骤：依次重复生长100nm的高温氮化铝多孔层和80nm的脉冲供应高温氮化铝层，由多层高温氮化铝多孔层和多层脉冲供应高温氮化铝层交替生成形成高温氮化铝层叠加层，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
本发明公开的上述氮化铝复合缓冲层的制备方法，所述氮化镓基半导体器件包括：LED半导体层、氮化镓薄膜层、蓝宝石衬底和如上述的氮化铝复合缓冲层，所述氮化铝复合缓冲层最下层的高温氮化铝成核层镀在蓝宝石衬底上，所述氮化镓薄膜层镀在所述氮化铝复合缓冲层最上层的脉冲供应高温氮化铝层上，所述LED半导体层镀在所述氮化镓薄膜层上。
本发明具有如下优点：
本发明提供了一种新型复合氮化铝缓冲层，使得利用MOCVD方法制备高晶体质量的氮化镓材料，进而大幅提升LED的发光效率。
附图说明
图1为传统的低温氮化铝缓冲层的结构示意图。
图2为本发明公开的一种氮化铝复合缓冲层的一个实施例结构示意图。
图3为本发明公开的一种氮化铝复合缓冲层的第二个实施例结构示意图。
图4为本发明公开的一种氮化铝复合缓冲层的第三个实施例结构示意图。
图5为本发明公开的一种氮化铝复合缓冲层的第四个实施例结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参考图2，本实施例中公开的一种氮化铝复合缓冲层包括：高温氮化铝成核层04和脉冲供应高温氮化铝层05，高温氮化铝成核层04镀在蓝宝石衬底01上，脉冲供应高温氮化铝层05镀在高温氮化铝成核层04上，高温氮化铝成核层04的厚度为15nm，脉冲供应高温氮化铝层05的厚度为80nm。
本实施例中公开的氮化铝复合缓冲层的制备方法包括：
步骤一：利用MOCVD在蓝宝石衬底01上外延生长一层15nm的高温氮化铝成核层04，生长温度为1080℃，V/III为100，气压值为65Torr，为接下来的生长提供成核位置，其中，V/III是指：氮族元素气体(V)和硼族元素气体(III)的摩尔流量之比。本实施例中硼族元素气体是指(CH3)3Ga(即TMG)或(CH3)3Al(即TMA)，氮族元素气体是指氨气NH3；
步骤二：升高温度至1220℃，并调整V/III至140，用脉冲供应法在高温氮化铝成核层04上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层05，旨在提高氮化铝的表面光滑程度，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
氮化铝复合缓冲层的制备完成后，将生长温度调整至1130℃，V/III为1700，气压值为225Torr，在此条件下，在脉冲供应高温氮化铝层05生长形成氮化镓薄膜层，然后，将LED半导体层镀在所述氮化镓薄膜层上即形成以本实施例中的氮化铝复合缓冲层作为缓冲层的氮化镓基半导体器件。
实施例2
参考图3，本实施例中公开的一种氮化铝复合缓冲层包括：高温氮化铝成核层04、高温氮化铝多孔层06和脉冲供应高温氮化铝层05，高温氮化铝成核层04镀在蓝宝石衬底01上，高温氮化铝多孔层06镀在高温氮化铝成核层04上，脉冲供应高温氮化铝层05镀在高温氮化铝多孔层06上，高温氮化铝成核层04的厚度为15nm，高温氮化铝多孔层06的厚度为100nm，脉冲供应高温氮化铝层05的厚度为80nm。
本实施例中公开的氮化铝复合缓冲层的制备方法包括：
步骤一：利用MOCVD在蓝宝石衬底01上外延生长一层15nm的高温氮化铝成核层04，生长温度为1080℃，V/III为100，气压值为65Torr，为接下来的生长提供成核位置；
步骤二：升高温度，在1185℃的条件下，在高温氮化铝成核层04上生长一层100nm的高温氮化铝多孔层06；
步骤三：继续升高温度至1220℃，并调整V/III至140，用脉冲供应法在高温氮化铝多孔层06上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层05，旨在提高氮化铝的表面光滑程度，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
氮化铝复合缓冲层的制备完成后，将生长温度调整至1130℃，V/III为1700，气压值为225Torr，在此条件下，在脉冲供应高温氮化铝层05生长形成氮化镓薄膜层，然后，将LED半导体层镀在所述氮化镓薄膜层上即形成以本实施例中的氮化铝复合缓冲层作为缓冲层的氮化镓基半导体器件。
以上描述中，高温氮化铝成核层04和高温氮化铝多孔层06的区别在于：高温氮化铝成核层04是在蓝宝石衬底上最先生长的一层氮化铝层，形成柱状晶体结构，并为接下来的生长提供必要的生长环境，即成核区(nucleation site)。而高温氮化铝多孔层06是在特定的温度、气压、V/III生长的氮化铝缓冲层，通过控制氮化铝的横向和纵向生长速度来实现氮化铝层表面形态，层表面呈多孔状，另外，生长条件的不同可以影响孔的大小及密度。
实施例3
参考图4，本实施例中公开的一种氮化铝复合缓冲层包括：高温氮化铝成核层04、两层高温氮化铝多孔层06和两层脉冲供应高温氮化铝层05，高温氮化铝成核层04镀在蓝宝石衬底01上，高温氮化铝多孔层06镀在高温氮化铝成核层04上，脉冲供应高温氮化铝层05镀在高温氮化铝多孔层06上，然后，高温氮化铝多孔层06和脉冲供应高温氮化铝层05交替分布形成高温氮化铝层叠加层，高温氮化铝层叠加层的底部为高温氮化铝多孔层06，高温氮化铝层叠加层的顶部为脉冲供应高温氮化铝层05，高温氮化铝成核层04的厚度为15nm，高温氮化铝多孔层06的厚度为100nm，脉冲供应高温氮化铝层05的厚度为80nm。
本实施例中公开的氮化铝复合缓冲层的制备方法包括：
步骤一：利用MOCVD在蓝宝石衬底01上外延生长一层15nm的高温氮化铝成核层04，生长温度为1080℃，V/III为100，气压值为65Torr，为接下来的生长提供成核位置；
步骤二：升高温度，在1185℃的条件下，在高温氮化铝成核层04上生长一层100nm的高温氮化铝多孔层06；
步骤三：继续升高温度至1220℃，并调整V/III至140，用脉冲供应法在高温氮化铝多孔层06上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层05；
步骤四：重复步骤二，再生长一层100nm的高温氮化铝多孔层06；
步骤五：重复步骤三，再用脉冲供应法外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层05，旨在提高氮化铝的表面光滑程度，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
氮化铝复合缓冲层的制备完成后，将生长温度调整至1130℃，V/III为1700，气压值为225Torr，在此条件下，在脉冲供应高温氮化铝层05生长形成氮化镓薄膜层，然后，将LED半导体层镀在所述氮化镓薄膜层上即形成以本实施例中的氮化铝复合缓冲层作为缓冲层的氮化镓基半导体器件。
实施例4
参考图5，本实施例中公开的一种氮化铝复合缓冲层包括：高温氮化铝成核层04、三层高温氮化铝多孔层06和三层脉冲供应高温氮化铝层05，高温氮化铝成核层04镀在蓝宝石衬底01上，高温氮化铝多孔层06镀在高温氮化铝成核层04上，脉冲供应高温氮化铝层05镀在高温氮化铝多孔层06上，然后，高温氮化铝多孔层06和脉冲供应高温氮化铝层05交替分布形成高温氮化铝层叠加层，高温氮化铝层叠加层的底部为高温氮化铝多孔层06，高温氮化铝层叠加层的顶部为脉冲供应高温氮化铝层05，高温氮化铝成核层04的厚度为15nm，高温氮化铝多孔层06的厚度为100nm，脉冲供应高温氮化铝层05的厚度为80nm。
本实施例中公开的氮化铝复合缓冲层的制备方法包括：
步骤一：利用MOCVD在蓝宝石衬底01上外延生长一层15nm的高温氮化铝成核层04，生长温度为1080℃，V/III为100，气压值为65Torr，为接下来的生长提供成核位置；
步骤二：升高温度，在1185℃的条件下，在高温氮化铝成核层04上生长一层100nm的高温氮化铝多孔层06；
步骤三：继续升高温度至1220℃，并调整V/III至140，用脉冲供应法在高温氮化铝多孔层06上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层05；
步骤四：重复步骤二，再生长一层100nm的高温氮化铝多孔层06；
步骤五：重复步骤三，再用脉冲供应法外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层05；
步骤六：重复步骤二，再生长一层100nm的高温氮化铝多孔层06；
步骤七：重复步骤三，再用脉冲供应法外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层05，旨在提高氮化铝的表面光滑程度，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
氮化铝复合缓冲层的制备完成后，将生长温度调整至1130℃，V/III为1700，气压值为225Torr，在此条件下，在脉冲供应高温氮化铝层05生长形成氮化镓薄膜层，然后，将LED半导体层镀在所述氮化镓薄膜层上即形成以本实施例中的氮化铝复合缓冲层作为缓冲层的氮化镓基半导体器件。
上述实施例中，高温氮化铝成核层、高温氮化铝多孔层、脉冲供应高温氮化铝层和氮化镓薄膜层的生长条件如表一所示：
表一 氮化铝复合缓冲层和氮化镓薄膜层的生长条件
另外，对由传统的低温氮化铝缓冲层和上述实施例中的氮化铝复合缓冲层制备的氮化镓晶体质量进行了测试，结果如表二所示：
表二 氮化镓晶体质量测试结果
由表二表明，由于在氮化铝复合缓冲层生长过程中，有效湮灭了由于晶格失配产生出的大部分晶格缺陷，因而制备出高晶体质量、表面光滑无微裂的氮化铝层。这使得制备出的氮化镓晶体质量及表面光滑程度大幅度提升(XRD半高宽数值越小，表明晶体质量越好)，进而非常有效的提高了氮化镓LED的发光效率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种氮化铝复合缓冲层，其特征在于，所述氮化铝复合缓冲层包括：高温氮化铝成核层和脉冲供应高温氮化铝层，所述高温氮化铝成核层镀在蓝宝石衬底上，所述脉冲供应高温氮化铝层镀在所述高温氮化铝成核层上，所述高温氮化铝成核层的厚度为15nm，所述脉冲供应高温氮化铝层的厚度为80nm。
2.如权利要求1所述的氮化铝复合缓冲层，其特征在于，所述氮化铝复合缓冲层还包括高温氮化铝多孔层，所述高温氮化铝多孔层的厚度为100nm，所述高温氮化铝多孔层镀在所述高温氮化铝成核层上，所述脉冲供应高温氮化铝层镀在所述高温氮化铝多孔层上。
3.如权利要求2所述的氮化铝复合缓冲层，其特征在于，所述氮化铝复合缓冲层包括数量相同的多层高温氮化铝多孔层和多层脉冲供应高温氮化铝层，所述高温氮化铝多孔层和所述脉冲供应高温氮化铝层交替分布形成高温氮化铝层叠加层，所述高温氮化铝层叠加层的底部为高温氮化铝多孔层，所述高温氮化铝层叠加层的顶部为脉冲供应高温氮化铝层。
4.如权利要求3所述的氮化铝复合缓冲层，其特征在于，所述高温氮化铝层叠加层包括两层高温氮化铝多孔层和两层脉冲供应高温氮化铝层。
5.如权利要求1所述的氮化铝复合缓冲层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤一：利用MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长一层15nm的高温氮化铝成核层，生长温度为950-1100℃，V/III为90-110，气压值为55-70Torr，为接下来的生长提供成核位置；
步骤二：升高温度至1150-1250℃，并调整V/III至120-160，用脉冲供应法在高温氮化铝成核层上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层，旨在提高氮化铝的表面光滑程度，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
6.如权利要求5所述的氮化铝复合缓冲层的制备方法，其特征在于，所述步骤二之前还包括以下步骤：升高温度，在1050-1200℃的条件下，先在高温氮化铝成核层上生长一层100nm的高温氮化铝多孔层，然后，再在高温氮化铝多孔层上外延一层80nm的脉冲供应高温氮化铝层。
7.如权利要求6所述的氮化铝复合缓冲层的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括以下步骤：依次重复生长100nm的高温氮化铝多孔层和80nm的脉冲供应高温氮化铝层，由多层高温氮化铝多孔层和多层脉冲供应高温氮化铝层交替生成形成高温氮化铝层叠加层，至此，氮化铝复合缓冲层生长完毕。
8.一种氮化镓基半导体器件，其特征在于，所述氮化镓基半导体器件包括：LED半导体层、氮化镓薄膜层、蓝宝石衬底和如权利要求1至4中任一项所述的氮化铝复合缓冲层，所述氮化铝复合缓冲层最下层的高温氮化铝成核层镀在蓝宝石衬底上，所述氮化镓薄膜层镀在所述氮化铝复合缓冲层最上层的脉冲供应高温氮化铝层上，所述LED半导体层镀在所述氮化镓薄膜层上。
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