CN107316928A - 氮化物半导体元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物半导体元件及其制作方法，所述元件包括：衬底，位于所述衬底上的应力调变层，位于所述应力调变层上的AlN缓冲层，依次位于所述缓冲层上的n型半导体层、有源层和p型半导体层，所述应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数。通过在衬底与AlN缓冲层之间插入应力调变层，可以减少n型氮化物半导体层的压应力，进而改善材料晶体质量，提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备领域，具体为一种氮化物半导体元件及其制作方法。
背景技术
近年来紫外发光二极管随着产品功率提升与技术精进，加上寿命长、体积小等优势，已逐渐取代较低功率的汞灯。同时国际禁汞的《水俣公约》将于 2020年生效，这一政策将加速UV LED规模化应用的到来。
目前深紫外LED的缓冲层主要以AlN为主。图1为传统深紫外LED外延结构，在衬底形成AlN 缓冲层，在AlN缓冲层形成n型氮化物半导体层、量子井发光层与p型氮化物半导体层。其中因n型氮化物半导体层与AlN 缓冲层存在晶格失配，对后生长的AlGaN产生极大的压应力，衍生出更多的位错密度，进而影响晶体质量与 LED 器件发光效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种氮化物半导体元件，其提出应力调变层外延技术，在衬底上生长晶格常数大于AlN的材料作为应力调变层，接着生长AlN缓冲层，采用应力调变层调变后续AlGaN的应力，改善晶体质量。
本发明的技术方案为：氮化物半导体元件，包括：衬底，位于所述衬底上的应力调变层，位于所述应力调变层上的AlN缓冲层，依次位于所述缓冲层上的n型半导体层、有源层和p型半导体层，所述应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数。
在本发明中，借由所述应力调变层，减少所述n型半导体层的压应力。
优选地，所述应力调变层为AlXGa1-XN，其中Al组分的取值X为0.2~0.9。更佳的，X的取值可以为0.5~0.9，例如取0.5或0.75等。
在一些实施例中，所述应力调变层的厚度大于所述AlN缓冲层的厚度。
在一些实施例中，所述应力调变层的厚度等于所述AlN缓冲层的厚度。
在一些实施例中，所述应力调变层的厚度也可以小于所述AlN缓冲层的厚度。
优选地，所述应力调变层为厚度d1的取值范围为：100＜d1≤5000nm。在一些实施例中，所述厚度d1可以取1000~3000nm，例如取微米或者2微米。
优选地，所述AlN缓冲层的厚度d2的取值范围为：10≤d2≤3000nm。在一些实施例中，所述厚度d2可以取20~500nm之间，例如50nm；在一些实施例中，所述厚度d2可以取500~3000nm之间，例如2000nm。
优选地，所述有源层的凸起曲率为0~200km-1。
本发明同时提供了一种氮化物半导体元件的制作方法，包括步骤：提供一生长衬底；在所述生长衬底上依次形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层；其中，所述应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数，借由所述应力调变层，减少所述n型半导体层的压应力。
优选地，采用化学气相沉积法依次形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层。
优选地，所述应力调变层的生长温度为1000~1300℃。
在一些实施例中，在形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层的过程中，通过控制镓源或铝源的流量，使得所述应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数。例如，在形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层的过程中，固定铝源的流量，改变镓源的流量，其中生长N型半导体层时的镓源流量为f1，生长AlxGa1-xN应力调变层的镓源流量为f2，则0<f2<f1。
在一些实施例中，藉由控制生长温度方式达成应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数。例如，形成应力调变层的温度为T1，形成AlN缓冲层的温度为T2，形成N型半导体层的温度为T3，则 T3<T1<T2。
在一些实施例中，采用渐变生长温度方式形成应力调变层。
本发明所述氮化物半导体元件适用于紫外发光二极管，特别是波长为340nm以下深紫外发光二极管。通过在衬底与AlN缓冲层之间插入应力调变层，可以减少n型氮化物半导体层的压应力，进而改善材料晶体质量，提升发光效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
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为传统深紫外LED外延结构的示意图。
图2为根据本发明实施的一种氮化物半导体元件的示意图。
图3-5显示不同结构或不同组分的n型半导体层表面SEM照片。
图6显示了本发明第二个实施例之采用渐变生长温度方式形成应力调变层的示意图。
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
本实施例采用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）外延生长技术，以蓝宝石作为生长衬底，进行外延生长，采用三甲基镓（TMGa），三乙基镓（TEGa），和三甲基铟（TMIn），三甲基铝（TMAl）和氨气（NH3）硅烷（SiH4）和二茂镁（Cp2Mg）分别提供生长所需要的镓源，铟源、铝源、和氮源、硅源、镁源。如图2所示，该紫外LED外延结构的生长过程具体如下。
（1）将蓝宝石作为生长衬底210特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃以上烘烤10分钟。
（2）控制生长温度为1000~1300℃，生长应力调变层260，其厚度为100~1000nm之间，材料为AlXGa1-XN，藉由 Al、Ga流量控制，使其晶格常数大于AlN材料层的晶格常数，具体的AlXGa1-XN的Al组分X可取0.2~0.9，较佳值为0.5~0.9。
（3）控制生长温度为1200~1450℃，在生长应力调变层260上生长AlN缓冲层220，其厚度取10~3000nm，较佳值为1000~3000nm。
（4）在AlN缓冲层220上生长掺杂硅烷的n型AlGaN层230，其中Al组分取值为0.5~1。
（5）在n型AlGaN层230上生长Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N（x1<x2）量子阱作为有源层240，量子阱层Alx1Ga1-x1N层的Al组分为0.3~0.9，例如可取0.4，垒层Alx2Ga1-x1N层的Al组分为0.6~1，例如可取0.6。
（6）在有源层400上依次生长掺杂Mg的p型AlGaN阻挡层、掺杂Mg的p型AlGaN层和Mg的p型GaN层作为p型半导体层250。
在本实施例中，控制应力调变层260的晶格常数介于AlN缓冲层220与N型AlGaN层230之间，其中采用高温生长AlxGa1-xN应力调变层260，其Al组分x控制方式可以N型AlGaN层230的生长参数为基准，例如将三甲基铝（TMAl）的流量固定，仅改变三甲基镓（TMGa）的流量，如生长N型AlGaN层230时的三甲基镓（TMGa）流量为 f1，则生长AlxGa1-xN应力调变层260的三甲基镓（TMGa）流量为 f2，其 0<f2<f1，较佳值为f2=f1/2。同样的也可以采用固定三甲基镓（TMGa）流量，通过改变三甲基铝（TMAl）流量的方式来达成组份的调控。
在本实施例中，Al组分x还可藉由控制生长温度方式达成。例如生长应力调变层260的温度为T1，AlN缓冲层220的温度为T2，N型AlGaN层230的温度为T3，则 T3<T1<T2，较佳值可选择 T1=(T2+/T3)/2。
实施例2
本实施例采用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）外延生长技术，以蓝宝石作为生长衬底，进行外延生长，采用三甲基镓（TMGa），三乙基镓（TEGa），三甲基铝（TMAl）和氨气（NH3）和硅烷（SiH4）分别提供生长所需要的镓源、铝源、和氮源、硅源，生长至n型AlGaN层300，并比对有无应力调变层260对表面形貌的影响。
（1）将蓝宝石作为生长衬底210特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃以上烘烤10分钟。
（2）控制生长温度为1000~1300℃，生长应力调变层260，其厚度为1000~5000nm之间，优选为2000~3000nm，材料为AlXGa1-XN，其中Al组分X可取0.2~0.9，较佳值为0.7~0.9。
（3）控制生长温度为1200~1450℃，在生长应力调变层260上生长AlN缓冲层220，其厚度取10~1500nm，较佳值为10~1000nm，较佳值为100~1000nm。
（4）在AlN缓冲层220上生长掺杂硅烷的n型AlGaN层230，其厚度为1500~2500nm之间，其中Al组分取值为0.5~1，本实施例取 0.55。
图3为无应力调变层之n型AlGaN层表面光学显微镜照片图，由于受AlN缓冲层间晶格常数不匹配所产生的压应力影响，表面产生高密度的角锥状凸起物。图4为加入铝组份为0.9 的应力调变层的n型AlGaN层表面光学显微镜照片图，因应力获得调变，使得 n型AlGaN层所承受的压应力降低，进而抑制表面角锥状凸起物形成。更进一部优化应力调变层的铝组份至 0.8，可以获得更佳表面，如图5所示。在此优化后的底层生长深紫外 LED，因底层压应力减小，原本在n型AlGaN层230上生长Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N（x1<x2）量子阱作为有源层240时的原位曲翘(in-situ curvature)监控读值由原本凸起(convex)曲率100~300 km-1降低为0~200 km-1，甚至为0~100km-1，有效改善有源层的均匀性与结晶质量。
实施例3
本实施例采用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）外延生长技术，以蓝宝石作为生长衬底，进行外延生长，采用三甲基镓（TMGa），三乙基镓（TEGa），和三甲基铟（TMIn），三甲基铝（TMAl）和氨气（NH3）硅烷（SiH4）和二茂镁（Cp2Mg）分别提供生长所需要的镓源，铟源、铝源、和氮源、硅源、镁源。如图2所示，该紫外LED外延结构的生长过程具体如下。
（1）将蓝宝石作为生长衬底210特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃以上烘烤10分钟。
（2）渐变生长温度为1000~1300℃，生长应力调变层260，其厚度为1000~3000nm之间，材料为AlXGa1-XN，使其平均晶格常数大于AlN材料层的晶格常数，具体的AlXGa1-XN的Al组分X变化0.2~1.0，较佳值为0.6~0.9。
（3）控制生长温度为1200~1450℃，在生长应力调变层260上生长AlN缓冲层220，其中AlN缓冲层的厚度取10~3000nm，较佳值为500~1000nm。
（4）在AlN缓冲层220上生长掺杂硅烷的n型AlGaN层230，其中Al组分取值为0.5~1。
（5）在n型AlGaN层230上生长Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N（x1<x2）量子阱作为有源层240，量子阱层Alx1Ga1-x1N层的Al组分为0.3~0.9，例如可取0.4，垒层Alx2Ga1-x1N层的Al组分为0.6~1，例如可取0.6。
（6）在有源层240上依次生长掺杂Mg的p型AlGaN阻挡层、掺杂Mg的p型AlGaN层和Mg的p型GaN层作为p型半导体层250。
在本实施例中，采用渐变生长温度方式来控制应力调变层260的铝组份，如图6所示，其中温度渐变方式可由低到高、高到低、多重变温方式。
需要说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。
Claims (16)
1.氮化物半导体元件，包括：衬底，位于所述衬底上的应力调变层，位于所述应力调变层上的AlN缓冲层，依次位于所述缓冲层上的n型半导体层、有源层和p型半导体层，所述应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其特征在于：借由所述应力调变层，减少所述n型半导体层的压应力。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述应力调变层为AlXGa1-XN，其中Al组分的取值X为0.2~0.9。
4.根据权利要求1所述所氮化物半导体元件，其特征在于：所述应力调变层的厚度大于或等于所述AlN缓冲层的厚度。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述应力调变层为厚度d1的取值范围为：100＜d1≤5000nm。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述AlN缓冲层的厚度d2的取值范围为：10≤d2≤3000nm。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述有源层的凸起曲率为0~200 km-1。
8.氮化物半导体元件的制作方法，包括步骤：
提供一生长衬底；
在所述生长衬底上依次形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层；
其中，所述应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数，借由所述应力调变层，减少所述n型半导体层的压应力。
9.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：采用化学气相沉积法依次形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层。
10.根据权利要求9所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：所述应力调变层的生长温度为1000~1300℃。
11.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：所述应力调变层为AlXGa1-XN，其中Al组分的取值X为0.2~0.9。
12.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：所述应力调变层的厚度大于或等于所述AlN缓冲层的厚度。
13.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：在形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层的过程中，通过控制镓源或铝源的流量，使得所述应力调变层的晶格常数大于所述AlN缓冲层，但不大于所述n型半导体层的晶格常数。
14.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：在形成应力调变层、AlN缓冲层、n型半导体层的过程中，固定铝源的流量，改变镓源的流量，其中生长N型半导体层时的镓源流量为f1，生长AlxGa1-xN应力调变层的镓源流量为f2，则0<f2<f1。
15.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：形成应力调变层的温度为T1，形成AlN缓冲层的温度为T2，形成N型半导体层的温度为T3，则 T3<T1<T2。
16.根据权利要求8所述的氮化物半导体元件的制作方法，其特征在于：采用渐变生长温度方式形成应力调变层。
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