CN108257853B - 具有氮化铝膜的紫外led的外延结构及其生长方法 - Google Patents

具有氮化铝膜的紫外led的外延结构及其生长方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108257853B
CN108257853B CN201810045016.2A CN201810045016A CN108257853B CN 108257853 B CN108257853 B CN 108257853B CN 201810045016 A CN201810045016 A CN 201810045016A CN 108257853 B CN108257853 B CN 108257853B
Authority
CN
China
Prior art keywords
growth
aluminum nitride
layer
substrate
nitride film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810045016.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108257853A (zh
Inventor
黄小辉
王小文
郑远志
陈向东
梁旭东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maanshan Jiesheng Semiconductor Co ltd
Original Assignee
Maanshan Jiesheng Semiconductor Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maanshan Jiesheng Semiconductor Co ltd filed Critical Maanshan Jiesheng Semiconductor Co ltd
Priority to CN201810045016.2A priority Critical patent/CN108257853B/zh
Publication of CN108257853A publication Critical patent/CN108257853A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108257853B publication Critical patent/CN108257853B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0272—Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
    • C23C16/0281—Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating of metallic sub-layers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/301—AIII BV compounds, where A is Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C23C16/303—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656—Special treatments
    • H01L21/02658—Pretreatments
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds

Abstract

本发明提供一种具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构及其生长方法。氮化铝膜的生长方法包括如下步骤：1)在衬底上生长金属层；2)对衬底进行退火处理，金属层形成金属球状物层；3)对衬底进行刻蚀处理，形成具有凹坑的衬底；4)温度升高至600～1200℃时，在反应室中通入三甲基铝和氨气，生长缓冲生长层；5)温度升高至1250～1450℃，进行第一生长模式和第二生长模式交替循环生长，生长成中间状态的氮化铝层；6)温度降低至1100～1250℃，对氮化铝层通入三甲基铝和氨气进行第三生长模式生长。采用该方法制得的氮化铝薄膜晶体质量好，并能减少氮化铝薄膜表面裂纹。

Description

具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构及其生长方法
技术领域
本发明涉及氮化铝膜的生长方法技术，尤其涉及一种具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构及其生长方法。
背景技术
氮化铝(AlN)属于第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度高，击穿电场高，热导率高，电子饱和速率高以及抗辐射能力高等优点。氮化铝晶体具有稳定的六方纤锌矿结构，晶格常数
Figure BDA0001550637630000011
氮化铝在III-V族不半导体材料中具有最大的直接带隙，约6.2eV，是重要的蓝光和紫外发光材料。其热导率高，电阻率高，击穿场强大，介电系数小，是优异的高温高频和大功率器件用电子材料。并且，沿c轴取向的氮化铝具有非常好的压电特性和声表面波高速传播性，是优异的声表面波器件用压电材料。氮化铝晶体与氮化镓晶体有非常接近的晶格常数和热膨胀系数，是外延生长AlGaN光电器件的优选衬底材料。基于氮化铝以上优异的特性，氮化铝被广泛用于紫外探测器，HEMT，紫外发光二极管(LED)。其中，紫外LED杀菌的原理是利用LED产生的适当波长紫外线对细菌的脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的分子键进行破坏，破坏原有细菌菌落并阻止细菌的复制繁殖，达到杀死细菌的目的。紫外杀菌技术利用高强度深紫外线照射，能够将各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，目前被广泛应用于民生、医疗以及生产制造行业。
虽然氮化铝具有诸多的优点，但是氮化铝材料却非常难以制备。制备氮化铝需要高温高压设备，以及精准的源流量控制系统。目前，商用气相沉积氮化铝采用高温的沉积设备。
但是，采用高温的沉积设备制备的氮化铝晶体质量还不好，且由于氮化铝晶格常数和衬底晶格常数差别较大，具有较大的晶格失配度，从而导致氮化铝表面容易出现裂纹。
发明内容
本发明提供一种具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构及其生长方法，采用该方法制得的氮化铝薄膜晶体质量好，并能减少氮化铝薄膜表面裂纹。
本发明提供一种氮化铝膜的生长方法，包括如下步骤：
1)在衬底上生长金属层；
2)对衬底进行退火处理，所述金属层形成金属球状物层；
3)对衬底进行刻蚀处理，形成具有凹坑的衬底；
4)温度升高至600～1200℃时，在生长设备的反应室中通入三甲基铝和氨气，生长缓冲生长层；
5)温度升高至1250～1450℃，对所述缓冲生长层进行第一生长模式和第二生长模式交替循环生长，生长成中间状态的氮化铝层；
其中，所述第一生长模式和所述第二生长模式均通入三甲基铝和氨气，所述第一生长模式的第一生长速率小于所述第二生长模式的第二生长速率的生长速率；
6)温度降低至1100～1250℃，对所述中间状态的氮化铝层通入所述三甲基铝和所述氨气进行第三生长模式生长，生长成最终的氮化铝层。
进一步的，本发明提供的氮化铝膜的生长方法，步骤1)中，所述在衬底上生长金属层包括：在所述衬底上蒸镀金属，得到金属层，所述金属层的厚度小于或等于1000nm。
进一步的，本发明提供的氮化铝膜的生长方法，步骤2)中，所述退火处理的温度为300～1000℃，退火处理的时间小于或等于600s；
所述退火处理将所述金属层分成多个规则分布的小球，所有所述小球形成所述金属球状物层。
进一步的，本发明提供的氮化铝膜的生长方法，步骤3)中，所述进行刻蚀处理，形成具有凹坑的衬底包括：
将所述金属球状物层中的小球作为掩膜，对覆盖所述金属球状物层的所述衬底进行等离子体刻蚀，然后进行酸洗，所述酸洗时间至少10min，形成所述具有凹坑的衬底。
进一步的，本发明提供的氮化铝膜的生长方法，步骤5)中，所述在生长设备的反应室中通入三甲基铝和氨气的时间为3～10min；所述缓冲生长层的厚度小于或等于500nm。
进一步的，本发明提供的氮化铝膜的生长方法，所述第一生长模式中：所述反应室的第一压力为100～300mbar，通入的三甲基铝流量小于100ml/min，氨气小于10L/min，第一生长速率小于或等于0.5μm/h，第一氮化铝层的厚度为100～1000nm；
所述第二生长模式中：所述反应室的第二压力为20～100mbar，通入的三甲基铝流量小于400ml/min，氨气小于10L/min，第二生长速率大于或等于2.0μm/h，第二氮化铝层的厚度为500～2000nm；
所述循环的次数为1～20次。
进一步的，本发明提供的氮化铝膜的生长方法，所述第三生长模式中：所述反应室的第三压力为50～200mbar，通入的三甲基铝流量大于200ml/min，氨气小于10L/min，第三生长速率大于或等于1.0μm/h，第三氮化铝层的厚度为1000～4000nm。
进一步的，本发明提供的氮化铝膜的生长方法，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅和玻璃其中一种；所述生长设备为金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备、氢化物气相外延设备其中一种。
本发明还提供了一种具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构，按照上述氮化铝膜的生长方法得到。
本发明还提供了一种具有氮化铝膜的紫外LED，包括上述具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构。
本发明提供的具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构及其生长方法，具有以下优点：
(1)过程相对简单，具有凹坑的衬底易于实现，相比于现行的纳米压印制备纳米衬底的方式简单易行。同时氮化铝薄膜生长过程亦相对简单，易于实现。
(2)当金属薄层的厚度越厚，退火后形成的小球(纳米球)越大；退火的时间越长，小球越分散，小球之间的间距越大；退火的温度越高，小球的数量越多，小球的密度越大。所以，可以通过控制衬底上金属薄层的厚度以及退火温度和时间，以及控制刻蚀时间，能够精准控制纳米金属球的大小和密度。
(3)通过控制纳米金属球的分布规律实现精准控制具有凹坑的衬底凹坑的直径以及凹坑之间的间距，可以获得优化的凹坑型纳米图形衬底。
(4)凹坑的衬底的引入，使氮化铝生长过程中产生的位错，极易终止于侧向合并的过程中。
(5)不同速度(高低速)氮化铝生长模式交替生长，能够极大地降低位错的产生，从而提升氮化铝膜的晶体质量。
(6)凹坑型纳米图形衬底为氮化铝薄膜上加工光电器件提供很好的粗化效果，尤其有利于氮化铝薄膜上紫光，深紫光LED光的提取。
(7)由于氮化铝薄膜晶体质量的提高；本发明能够极大地改善氮化铝薄膜上器件的寿命性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法步骤1中生长的金属层；
图3为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法步骤2中生长的金属球状物层；
图4为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法步骤3中生长的具有凹坑的衬底；
图5为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长模式示意图。
附图标记说明
10-衬底；
20-金属层；
30-金属球状物层；
40-凹坑。
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，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法的流程图；图2为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法步骤1中生长的金属层；图3为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法步骤2中生长的金属球状物层；图4为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长方法步骤3中生长的具有凹坑的衬底；图5为本发明实施例提供的一种氮化铝膜的生长模式示意图。如图1-图5所示，本发明实施例提供一种氮化铝膜的生长方法，包括如下步骤：
1)在衬底10上生长金属层20；
2)对衬底进行退火处理，金属层20形成金属球状物层30；
3)对衬底进行刻蚀处理，形成具有凹坑40的衬底10；
4)温度升高至600～1200℃时，在生长设备的反应室中通入三甲基铝和氨气，生长缓冲生长层；
5)反应室的温度升高至1250～1450℃，对缓冲生长层进行第一生长模式和第二生长模式交替循环生长，生长成中间状态的氮化铝层；
其中，第一生长模式和第二生长模式均通入三甲基铝和氨气，第一生长模式的第一生长速率小于第二生长模式的第二生长速率的生长速率；
6)反应室的温度降低至1100～1250℃，对中间状态的氮化铝层通入三甲基铝和氨气进行第三生长模式生长，生长成最终的氮化铝层。
需要说明的是，如图1-5所示，本实施例提供的氮化铝膜的生长方法可以是：
(1)在衬底10上生长金属层20包括：在衬底10上蒸镀金属，得到金属层，金属层的厚度小于或等于1000nm，由于该金属层的厚度为纳米级，也可成该金属层为金属薄层或者纳米级金属层。
其中，金属为镍、铝或镓。
(2)对衬底10进行退火处理，退火处理的温度为300～1000℃，退火处理的时间小于或等于600s；
退火处理将金属层分成多个规则分布的小球，所有小球形成金属球状物层。换而言之，退火处理使得金属层的金属在退火的作用下形成规则分布的纳米级金属球状物，即金属球状物层。
当金属层的厚度越厚，退火后形成的小球(也称为纳米球)越大；退火的时间越长，小球越分散，小球之间的间距越大；退火的温度越高，小球的数量越多，小球的密度越大。所以，可以通过控制衬底上金属层的厚度以及退火温度和时间，以及控制刻蚀时间，能够精准控制纳米金属球的大小和密度。
(3)对衬底10进行刻蚀处理，形成具有凹坑40的衬底10包括：
将金属球状物层中的小球作为掩膜，对覆盖金属球状物层的衬底10进行等离子体刻蚀，然后进行酸洗，酸洗时间至少10min，形成具有凹坑的衬底10。
具体的，将金属球状物层中的小球作为掩膜，对覆盖金属球状物层的衬底10进行等离子体刻蚀，衬底10上没有被小球覆盖的区域经过等离子体刻蚀之后形成了凹下去的坑，得到凹坑型衬底，凹坑型衬底上的凹坑直径小于或等于1000nm，相邻凹坑之间的距离小于或等于1000nm，然后将凹坑型衬底进行酸洗，酸洗时间至少10min，将金属球状物层中的小球清洗掉后，形成具有凹坑的衬底。
上述步骤(1)～步骤(3)制备出规则的凹坑40的衬底10，下述步骤(4)～步骤(6)具体为在制备出规则的凹坑40的衬底10上沉积生长氮化铝薄膜。
(4)在生长设备的反应室中，将规则的凹坑的衬底温度升高至600～1200℃，通入3～10min的三甲基铝和氨气，在此温度下，三甲基铝和氨气分解并发生化学反应，形成无定型的缓冲生长层，缓冲生长层的厚度小于或等于500nm。
其中，生长氮化铝薄膜以规则的凹坑40为基础，使氮化铝生长过程中产生的位错，极易终止于侧向合并的过程中。
(5)第一生长模式中：反应室的第一压力为100～300mbar，通入的三甲基铝流量小于100ml/min，氨气小于10L/min，第一生长速率小于或等于0.5μm/h，第一氮化铝层的厚度为100～1000nm；
温度升高至1250～1450℃，且反应室的第一压力为100～300mbar时缓冲生长层进行分解聚合，形成均匀分布的晶核岛，然后通入三甲基铝和氨气，通入的三甲基铝流量小于100ml/min，氨气小于10L/min，通入的三甲基铝和氨气使晶核岛长大并合并，形成一层厚度为100～1000nm的第一氮化铝层，在形成第一氮化铝层的过程中，控制第一生长速率小于或等于0.5μm/h。
第二生长模式中：反应室的第二压力为20～100mbar，通入的三甲基铝流量小于400ml/min，氨气小于10L/min，第二生长速率大于或等于2.0μm/h，第二氮化铝层的厚度为500～2000nm；
温度继续维持在1250～1450℃，且反应室的第二压力为20～100mbar时，对第一氮化铝层通入三甲基铝和氨气，通入的三甲基铝和氨气使晶核岛继续长大并合并，形成一层厚度为500～2000nm的第二氮化铝层，在形成第二氮化铝层的过程中，控制第二生长速率大于或等于2.0μm/h。
需要说明的是，第一生长模式与第二生长模式的温度相同，第一生长模式与第二生长模式中的生长速度不同，第一生长模式中的第一生长速率小于第二生长模式中的第二生长速率，第一生长速率生长目的是为了更好地填平凹坑的衬底中的凹坑，使晶核岛长大并合并，第二生长速率生长目的是快速合并晶核岛。由于金属Al原子在表面的迁移速率非常慢，需要高温低压高速以提高侧向合并速率。
第一生长模式和第二生长模式进行交替循环生长，能够急速填平凹坑，能够极大地降低位错的产生，使氮化铝薄膜能够实现快速、平整生长；并能够获得表面无裂纹的氮化铝薄膜，使氮化铝薄膜表面有裂纹缺陷有效地湮灭，从而获得高质量的氮化铝薄膜。
第一生长模式和第二生长模式进行交替循环生长，形成中间状态的氮化铝层，其中，循环的次数为1～20次。
(6)第三生长模式中：反应室的第三压力为50～200mbar，通入的三甲基铝流量大于200ml/min，氨气小于10L/min，第三生长速率大于或等于1.0μm/h，第三氮化铝层的厚度为1000～4000nm。
第三生长模式中：温度降低至1100～1250℃，且反应室的第三压力为50～200mbar时，对中间状态的氮化铝层通入三甲基铝和氨气，通入的三甲基铝和氨气使晶核岛继续长大并合并，形成一层厚度为1000～4000nm的第三氮化铝层，在形成第三氮化铝层的过程中，控制第三生长速率大于或等于1.0μm/h。
第三氮化铝层即为最终的高质量表面无裂纹的氮化铝薄膜。
需要说明的是，第一生长模式、第二生长模式和第三生长模式中，均通入三甲基铝和氨气，通过控制三甲基铝的流量来控制每个生长模式的生长速度。
作为一种可选的实施方式，本实施例提供的氮化铝膜的生长方法，衬底为蓝宝石、硅、碳化硅和玻璃其中一种。
作为一种可选的实施方式，本实施例提供的氮化铝膜的生长方法，生长设备为金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备、氢化物气相外延设备其中一种。
本发明提供的氮化铝膜的生长方法，过程相对简单，具有凹坑的衬底易于实现，相比于现行的纳米压印制备纳米衬底的方式简单易行。同时氮化铝薄膜生长过程亦相对简单，易于实现。通过控制衬底上金属层的厚度以及退火温度和时间，以及控制刻蚀时间，能够精准控制纳米金属球的大小和密度；通过控制纳米金属球的分布规律实现精准控制具有凹坑的衬底凹坑的直径以及凹坑之间的间距，可以获得优化的凹坑型纳米图形衬底；凹坑的衬底的引入，使氮化铝生长过程中产生的位错极易终止于侧向合并的过程中；不同速度(高低速)氮化铝生长模式交替生长，能够极大地降低位错的产生，从而提升氮化铝膜的晶体质量；凹坑的衬底为氮化铝薄膜上加工光电器件提供很好的粗化效果，尤其有利于氮化铝薄膜上紫光，深紫光LED光的提取；由于氮化铝薄膜晶体质量的提高；本发明能够极大地改善氮化铝薄膜上器件的寿命性能。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构，按照上述实施例提供的氮化铝膜的生长方法得到。
本发明实施例还提供了一种具有氮化铝膜的紫外LED，包括上述实施例提供的具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构。
在上述实施例的基础上，下面以厚度为2英寸的蓝宝石为衬底，制备氮化铝薄膜为例进行说明，氮化铝膜的制备过程可以包括如下步骤：
1)在厚度为2英寸的蓝宝石衬底上蒸镀金属镍，得到镍金属层，镍金属层的厚度为300nm。
2)对蓝宝石衬底进行退火处理，退火处理的温度为300℃，时间为600s；退火处理使得镍金属层的镍金属在退火的作用下形成规则分布的纳米级金属球状物，即金属球状物层。
3)将金属球状物层中的小球作为掩膜，对覆盖金属球状物层的衬底进行等离子体刻蚀，等离子体刻蚀的时间为150s，衬底上没有被小球覆盖的区域经过等离子体刻蚀之后形成了凹下去的坑，得到凹坑型衬底，凹坑型衬底上的凹坑直径250nm，相邻凹坑之间的距离300nm，然后将凹坑型衬底进行酸洗，酸洗时间为10min，将金属球状物层中的小球清洗掉后，形成具有凹坑的衬底。
4)将形成的具有凹坑形衬，放入金属有机化学气相沉积设备中，反应室的温度升高至600℃，反应室压力控制在500mbar时，在金属有机化学气相沉积设备的反应室中通入属源、三甲基铝(50ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为10min，生长成厚度为25nm的缓冲生长层；
5)进行第一生长模式生长：反应室的温度升高至1450℃，反应室的第一压力为100mbar，对缓冲生长层三甲基铝(1500ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为10min，控制第一生长速率为0.5μm/h，生长成厚度为500nm第一氮化铝层；
进行第二生长模式生长：温度继续维持在1450℃，且反应室的第二压力为50mbar时，对第一氮化铝层通入三甲基铝(100ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为30min，控制第二生长速率为2.5μm/h，形成一层厚度为1250nm的第二氮化铝层；
第一生长模式和第二生长模式进行交替循环生长，其中，循环的次数为5次，形成中间状态的氮化铝层。
6)进行第三生长模式生长：反应室的温度降低至1250℃，反应室的第三压力为100mbar，对中间状态的氮化铝层三甲基铝(200ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为180min，控制第三生长速率为1.0μm/h，形成一层厚度为3000nm的第三氮化铝层，即为最终的高质量表面无裂纹的氮化铝薄膜。
XRD即X-ray diffraction的缩写，是X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。
将第三生长模式生长的氮化铝薄膜进行XRD测试，(002)方向的半宽为80arcsec，(102)方向的半宽为300arcsec。由此可以看出，采用本发明的方法获得的氮化铝薄膜晶体质量高。
在上述实施例的基础上，下面以厚度为2英寸的蓝宝石为衬底，制备另一种氮化铝薄膜为例进行说明，氮化铝膜的制备过程可以包括如下步骤：
1)在厚度为2英寸的蓝宝石衬底上蒸镀金属镍，得到镍金属层，镍金属层的厚度为400nm。
2)对蓝宝石衬底进行退火处理，退火处理的温度为1000℃，时间为300s；退火处理使得镍金属层的镍金属在退火的作用下形成规则分布的纳米级金属球状物，即金属球状物层。
3)将金属球状物层中的小球作为掩膜，对覆盖金属球状物层的衬底进行等离子体刻蚀，等离子体刻蚀的时间为120s，衬底上没有被小球覆盖的区域经过等离子体刻蚀之后形成了凹下去的坑，得到凹坑型衬底，凹坑型衬底上的凹坑直径200nm，相邻凹坑之间的距离200nm，然后将凹坑型衬底进行酸洗，酸洗时间为10min，将金属球状物层中的小球清洗掉后，形成具有凹坑的衬底。
4)将形成的具有凹坑形衬，放入金属有机化学气相沉积设备中，反应室的温度升高至900℃，反应室压力控制在500mbar时，在金属有机化学气相沉积设备的反应室中通入属源、三甲基铝(50ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为10min，生长成厚度为25nm的缓冲生长层；
5)进行第一生长模式生长：反应室的温度升高至1350℃，反应室的第一压力为200mbar，对缓冲生长层三甲基铝(80ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为60min，控制第一生长速率为0.4μm/h，生长成厚度为400nm第一氮化铝层；
进行第二生长模式生长：温度继续维持在1350℃，且反应室的第二压力为20mbar时，对第一氮化铝层通入三甲基铝(400ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为30min，控制第二生长速率为2.0μm/h，形成一层厚度为1000nm的第二氮化铝层；
第一生长模式和第二生长模式进行交替循环生长，其中，循环的次数为3次，形成中间状态的氮化铝层。
6)进行第三生长模式生长：反应室的温度降低至1100℃，反应室的第三压力为50mbar，对中间状态的氮化铝层三甲基铝(250ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为120min，控制第三生长速率为1.25μm/h，形成一层厚度为2500nm的第三氮化铝层，即为最终的高质量表面无裂纹的氮化铝薄膜。
将第三生长模式生长的氮化铝薄膜进行XRD测试，(002)方向的半宽为80arcsec，(102)方向的半宽为200arcsec。
在此基础上制备紫外LED，此LED制作成350μm×350μm芯片，通入20mA的电流，工作电压为6.0V，发光亮度为4mW；
此紫外LED器件寿命1万小时。由此可以看出，采用本发明的方法获得的氮化铝薄膜晶体质量高，本发明能够极大地改善氮化铝薄膜上器件的寿命性能。
在上述实施例的基础上，下面以厚度为4英寸的蓝宝石为衬底，制备氮化铝薄膜为例进行说明，氮化铝膜的制备过程可以包括如下步骤：
1)在厚度为4英寸的蓝宝石衬底上蒸镀金属铝，得到铝金属层，铝金属层的厚度为200nm。
2)对蓝宝石衬底进行退火处理，退火处理的温度为800℃，时间为200s；退火处理使得镍金属层的镍金属在退火的作用下形成规则分布的纳米级金属球状物，即金属球状物层。
3)将金属球状物层中的小球作为掩膜，对覆盖金属球状物层的衬底进行等离子体刻蚀，等离子体刻蚀的时间为120s，衬底上没有被小球覆盖的区域经过等离子体刻蚀之后形成了凹下去的坑，得到凹坑型衬底，凹坑型衬底上的凹坑直径200nm，相邻凹坑之间的距离350nm，然后将凹坑型衬底进行酸洗，酸洗时间为10min，将金属球状物层中的小球清洗掉后，形成具有凹坑的衬底。
4)将形成的具有凹坑形衬，放入金属有机化学气相沉积设备中，反应室的温度升高至1200℃，反应室压力控制在500mbar时，在金属有机化学气相沉积设备的反应室中通入属源、三甲基铝(50ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为10min，生长成厚度为25nm的缓冲生长层；
5)进行第一生长模式生长：反应室的温度升高至1250℃，反应室的第一压力为300mbar，对缓冲生长层三甲基铝(100ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为60min，控制第一生长速率为0.5μm/h，生长成厚度为500nm第一氮化铝层；
进行第二生长模式生长：温度继续维持在1250℃，且反应室的第二压力为100mbar时，对第一氮化铝层通入三甲基铝(500ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为10min，控制第二生长速率为2.5μm/h，形成一层厚度为416nm的第二氮化铝层；
第一生长模式和第二生长模式进行交替循环生长，其中，循环的次数为5次，形成中间状态的氮化铝层。
6)进行第三生长模式生长：反应室的温度降低至1170℃，反应室的第三压力为200mbar，对中间状态的氮化铝层三甲基铝(250ml/min)和氨气(10000ml/min)，生长时间为120min，控制第三生长速率为1.25μm/h，形成一层厚度为2500nm的第三氮化铝层，即为最终的高质量表面无裂纹的氮化铝薄膜。
将第三生长模式生长的氮化铝薄膜进行XRD测试，(002)方向的半宽为80arcsec，(102)方向的半宽为200arcsec。
在此基础上制备紫外LED，此LED制作成350μm×350μm芯片，通入20mA的电流，工作电压为6.0V，发光亮度为5mW；
此紫外LED器件寿命1万小时。由此可以看出，采用本发明的方法获得的氮化铝薄膜晶体质量高，本发明能够极大地改善氮化铝薄膜上器件的寿命性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种氮化铝膜的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底上生长金属层；
2)对所述衬底进行退火处理，所述金属层形成金属球状物层；
所述退火处理将所述金属层分成多个规则分布的小球，所有所述小球形成所述金属球状物层；
3)对所述衬底进行刻蚀处理，形成具有凹坑的衬底；
所述进行刻蚀处理，形成具有凹坑的衬底包括：将所述金属球状物层中的所述小球作为掩膜，对覆盖所述金属球状物层的所述衬底进行等离子体刻蚀，然后进行酸洗，形成所述具有凹坑的衬底；
4)温度升高至600～1200℃时，在生长设备的反应室中通入三甲基铝和氨气，生长缓冲生长层；
5)温度升高至1250～1450℃，对所述缓冲生长层进行第一生长模式和第二生长模式交替循环生长，生长成中间状态的氮化铝层；
其中，所述第一生长模式和所述第二生长模式均通入三甲基铝和氨气，所述第一生长模式的第一生长速率小于所述第二生长模式的第二生长速率的生长速率；
6)温度降低至1100～1250℃，对所述中间状态的氮化铝层通入所述三甲基铝和所述氨气进行第三生长模式生长，生长成最终的氮化铝层。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤1)中，所述在衬底上生长金属层包括：在所述衬底上蒸镀金属，得到金属层，所述金属层的厚度小于或等于1000nm。
3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤2)中，所述退火处理的温度为300～1000℃，退火处理的时间小于或等于600s。
4.根据权利要求3所述的生长方法，其特征在于，步骤3)中，所述酸洗时间至少10min。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，步骤5)中，所述在生长设备的反应室中通入所述三甲基铝和所述氨气的时间为3～10min；所述缓冲生长层的厚度小于或等于500nm。
6.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一生长模式中：所述反应室的第一压力为100～300mbar，通入的所述三甲基铝流量小于100ml/min，所述氨气小于10L/min，所述第一生长速率小于或等于0.5μm/h，第一氮化铝层的厚度为100～1000nm；
所述第二生长模式中：所述反应室的第二压力为20～100mbar，通入的所述三甲基铝流量小于400ml/min，所述氨气小于10L/min，所述第二生长速率大于或等于2.0μm/h，第二氮化铝层的厚度为500～2000nm；
所述循环的次数为1～20次。
7.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第三生长模式中：所述反应室的第三压力为50～200mbar，通入的所述三甲基铝流量大于200ml/min，所述氨气小于10L/min，第三生长速率大于或等于1.0μm/h，第三氮化铝层的厚度为1000～4000nm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的生长方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅和玻璃其中一种；所述生长设备为金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备、氢化物气相外延设备其中一种。
9.一种具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构，其特征在于，按照权利要求1-8任一项所述的生长方法得到。
10.一种具有氮化铝膜的紫外LED，其特征在于，包括权利要求9所述的具有氮化铝膜的紫外LED的外延结构。
CN201810045016.2A 2018-01-17 2018-01-17 具有氮化铝膜的紫外led的外延结构及其生长方法 Active CN108257853B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810045016.2A CN108257853B (zh) 2018-01-17 2018-01-17 具有氮化铝膜的紫外led的外延结构及其生长方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810045016.2A CN108257853B (zh) 2018-01-17 2018-01-17 具有氮化铝膜的紫外led的外延结构及其生长方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108257853A CN108257853A (zh) 2018-07-06
CN108257853B true CN108257853B (zh) 2021-01-26

Family

ID=62726658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810045016.2A Active CN108257853B (zh) 2018-01-17 2018-01-17 具有氮化铝膜的紫外led的外延结构及其生长方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108257853B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109888063B (zh) * 2019-01-23 2020-07-07 华灿光电（浙江）有限公司 AlN模板及氮化镓基发光二极管外延片的制备方法
CN111048403A (zh) * 2019-12-19 2020-04-21 马鞍山杰生半导体有限公司 一种氮化铝膜及其制备方法和应用
CN113394077B (zh) * 2021-06-15 2022-10-14 纬翔华创(山东)智能电子科技有限公司 一种led外延晶层生产工艺
CN114050104B (zh) * 2021-11-12 2022-09-30 松山湖材料实验室 氮化铝单晶衬底的加工方法及紫外发光器件的制备方法
CN114203865B (zh) * 2021-12-07 2023-08-01 宁波安芯美半导体有限公司 一种基于蓝宝石衬底的氮化铝外延片的制备方法
CN114293252A (zh) * 2021-12-29 2022-04-08 广东省科学院半导体研究所 氮化铝模板及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101373714A (zh) * 2007-08-22 2009-02-25 中国科学院半导体研究所 用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法
CN102842490A (zh) * 2012-08-17 2012-12-26 马鞍山圆融光电科技有限公司 一种化合物半导体薄膜的自组装生长方法
CN105874587A (zh) * 2014-01-23 2016-08-17 英特尔公司 Si沟槽中的ⅲ-n器件

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101373714A (zh) * 2007-08-22 2009-02-25 中国科学院半导体研究所 用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法
CN102842490A (zh) * 2012-08-17 2012-12-26 马鞍山圆融光电科技有限公司 一种化合物半导体薄膜的自组装生长方法
CN105874587A (zh) * 2014-01-23 2016-08-17 英特尔公司 Si沟槽中的ⅲ-n器件

Also Published As

Publication number Publication date
CN108257853A (zh) 2018-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108257853B (zh) 具有氮化铝膜的紫外led的外延结构及其生长方法
CN103887378B (zh) 一种高光效紫外led的外延生长方法
CN106098871B (zh) 一种发光二极管外延片的制备方法
CN108206130B (zh) 生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法
CN106544643B (zh) 一种氮化物薄膜的制备方法
CN107863428B (zh) 一种纳米级图形化衬底及其制作方法
CN110911270B (zh) 一种高质量氧化镓薄膜及其同质外延生长方法
CN104851781B (zh) 一种n型低偏角碳化硅外延片的制备方法
CN104934318B (zh) 一种n型低缺陷碳化硅外延片的制备方法
CN109285758A (zh) 在图形衬底上生长氮化物薄膜的方法
CN104037291B (zh) 一种生长在图形化硅衬底上的半极性GaN薄膜及其制备方法
JP2012250868A (ja) Ｉｉｉ族窒化物層の成長方法およびｉｉｉ族窒化物基板
CN108538968B (zh) 一种氮化铝膜的生长方法和应用
CN108538969B (zh) 一种氮化铝层裂纹的消除方法和应用
CN111129240A (zh) 一种提高氮化物led电流扩展能力的外延生长方法
CN115101639A (zh) InGaN基光电子器件的复合衬底及其制备方法和应用
CN1564314A (zh) 一种制备高质量氧化锌基单晶薄膜的方法
CN104037290A (zh) 一种AlyInxGa1-x-yN薄膜的外延结构及生长方法
US20200234944A1 (en) Method for fabricating heteroepitaxial semiconductor material on a mica sheet
CN105070793A (zh) 一种led外延结构的制作方法
CN101894887A (zh) 一种基于pin异质结构的碳化硅基紫外探测材料的制备方法
CN113089091A (zh) 氮化硼模板及其制备方法
Nevedomskiy et al. Electron microscopy of GaAs-based structures with InAs and As quantum dots separated by an AlAs barrier
CN112687771A (zh) 一种制备AlN薄层的方法
CN112018199A (zh) 一种高质量非极性AlGaN微纳复合结构及其加工方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant