CN117476825B - AlGaN外延结构的生长方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高质量AlGaN外延结构的生长方法及应用。生长方法包括：在纳米图形化衬底表面生长AlN模板层，在第一V/III比的条件在AlN模板层表面生长第一AlGaN层，在第二V/III比的条件在第一AlGaN层表面生长第二AlGaN层，按照先生长一层第一AlGaN层、再生长一层第二AlGaN层的顺序重复n个周期，在第一V/III比的条件，在第二AlGaN层表面生长第三AlGaN层，在第三V/III比的条件，在第三AlGaN层表面生长AlGaN外延层。本申请的生长方法，能够实现在纳米图形化衬底上生长出无裂纹、缺陷密度低、具有原子级台阶和表面平整的AlGaN外延层。

Description

AlGaN外延结构的生长方法及应用
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种AlGaN外延结构的生长方法及应用。
背景技术
近年来，在杀菌消毒、生物医疗及印刷等方面应用的大力推动下，以高Al组分AlGaN为基础的紫外发光二极管（UV-LED）引起人们的重视，其具有环保、尺寸小、耗能低以及使用寿命长等特点，被认为是当前III族氮化物半导体光电子最具发展潜力的领域之一。高质量AlGaN及其低维量子结构是实现高性能深紫外发光器件的基础，因此不断提高AlGaN的晶体质量就成为提高器件性能的关键环节。
受制于成本，目前紫外（DUV）发光器件的主流生长方法是在具有高紫外透光率的蓝宝石衬底上通过金属有机物化学气相沉积（MOCVD）AlN层和AlGaN层实现，AlN作为必不可少的基底材料，直接影响上层AlGaN结构的晶体质量和初始的应力状态。由于AlN和蓝宝石存在较大的晶格失配，导致在蓝宝石上直接生长AlN层会产生大量的贯穿位错（109-1010cm-2），这部分位错将贯穿至量子阱等有源区形成非辐射复合影响量子阱的内量子效率，进而严重影响AlGaN层光电器件的性能。在纳米图形化衬底（NPS）表面生长AlN层能够稳定获得高质量AlN层，利用AlN在NPS衬底侧向生长带来的位错弯转效应，能够实现在NPS衬底上生长的AlN层的位错密度在108cm-2量级。
然而，受限于NPS衬底上外延生长AlN本身的物理机制，成核阶段AlN岛的合并和侧向生长过程图形的合拢导致NPS上生长AlN通常具有较大的张应力，而在获得高质量AlN层的同时难以兼顾对外延层应力的调控，这对于继续制备高质量AlGaN有很大的挑战。一方面，AlGaN薄膜生长时张应力会随厚度逐渐累加，同时器件结构中必需的AlGaN外延层中的Si掺杂效应也会引入额外的张应力，而较大张应力状态下的AlN提供给AlGaN层的压应力变小，将导致后续的AlGaN外延层生长面临开裂的问题，且难以维持二维生长模式。基于上述限制，必须开发能够有效减小AlGaN外延层压应力消耗并且晶体质量较优的外延生长框架。
发明内容
本申请实施例提供一种AlGaN外延结构的生长方法及半导体元件，能够解决难以在纳米图形化衬底表面生长AlGaN层的问题。
本申请实施例提供的一种AlGaN外延结构的生长方法，包括：
将纳米图形化衬底置于反应室，在所述纳米图形化衬底表面生长AlN模板层。
在第一V/III比的条件，持续通入第一流量比的TMAl和TMGa、第一流量的氨气，在所述AlN模板层表面生长第一AlGaN层。
在第二V/III比的条件，持续通入第一流量比的TMAl和TMGa、第二流量的氨气，在所述AlN模板层表面生长第二AlGaN层；其中，所述第二V/III比大于所述第一V/III比，所述第二流量大于所述第一流量。
每个周期按照先生长一层所述第一AlGaN层、再生长一层所述第二AlGaN层的顺序，重复n个周期后，在第一V/III比的条件，持续通入第一流量比的TMAl和TMGa、第一流量的氨气，在所述第二AlGaN层表面生长第三AlGaN层；其中，n为整数，且n满足：5≤n≤20。
在第三V/III比的条件，持续通入第二流量比的TMAl和TMGa、第一流量的氨气、第三流量的硅烷，在所述第三AlGaN层表面生长AlGaN外延层。
其中，本申请实施例的第一V/III比、第二V/III比、第三V/III比等关于V/III比均为：氨气和III族金属源的摩尔流量比。
本申请实施例提供的AlGaN外延结构的生长方法，通过调制氨气流量，并在V/III比的高低周期性循环的条件下生长第一AlGaN层和第二AlGaN层，能够使生长出的第一AlGaN层和第二AlGaN层实现位错攀移，实现在第一AlGaN层和第二AlGaN层创造位错相遇弯折或湮灭，达到减小AlGaN外延层生长于AlN模板层的压应力，从而能够获得高质量无裂纹的AlGaN外延层。
在一些示例性的实施例中，所述第一V/III比的范围为20~300，例如，第一V/III比可以为20、100、150、200、240、250、270、300等。
在一些示例性的实施例中，所述第二V/III比的范围为3000~10000，例如，第二V/III比可以为3000、4000、4500、5000、6000、8000、10000等。
在一些示例性的实施例中，所述第三V/III比的范围为100~500，例如，第三V/III比可以为100、200、300、350、400、450、500等。
在一些示例性的实施例中，AlGaN外延结构的生长方法包括：在生长第一AlGaN层和生长第三AlGaN层时，除第一AlGaN层和第三AlGaN层的厚度不同外，生长第一AlGaN层和生长第三AlGaN层的其他生长条件相同。
其中，在周期性生长多层第一AlGaN层和第二AlGaN层后，在最后一个周期生长出的第二AlGaN层表面生长第三AlGaN层，并在第三AlGaN层表面生长AlGaN外延层。
在一些示例性的实施例中，生长第三AlGaN层的第一V/III比和生长AlGaN外延层的第三V/III比两者均相较于第二V/III比更高，且两者相近或相同，能够有效降低第三AlGaN层和AlGaN外延层之间的张应力，降低AlGaN外延层裂纹的发生。
在生长第一AlGaN层和第二AlGaN层时，通入的TMAl和TMGa的流量比相同，即，生长第一AlGaN层和第二AlGaN层通入的TMAl和TMGa的第一流量比为1。其中，生长第三AlGaN层通入的TMAl和TMGa的第二流量比有所增加，但控制第二流量比与第一流量比相近，即，生长第三AlGaN层通入的TMAl和TMGa的第二流量比范围为1~1.1，便于提高生长出的AlGaN外延层的平整度。
在一些示例性的实施例中，所述AlGaN外延层的生长速度为V1，V1满足：0.4μm/h≤V1≤1.5μm/h，例如，V1可以为0.4μm/h、0.6μm/h、0.8μm/h、1.0μm/h、1.2μm/h、1.5μm/h等。
在一些示例性的实施例中，所述第一AlGaN层的厚度为h1，所述第二AlGaN层的厚度为h2，所述第三AlGaN层的厚度为h3，所述AlGaN外延层的厚度为h4，其中，h2≤h1≤h3≤h4，具有便于应力调控、提高晶体质量的有益效果。
在一些示例性的实施例中，h1满足：60nm≤h1≤200nm，例如，h1可以为60nm、80nm、100nm、120nm、150nm、200nm等。
在一些示例性的实施例中，h2满足：150nm≤h2≤400nm，例如，h2可以为150nm、180nm、200nm、300nm、350nm、400nm等。
在一些示例性的实施例中，h3满足：60nm≤h3≤200nm，例如，h3可以为60nm、80nm、100nm、120nm、150nm、200nm等。
在一些示例性的实施例中，h4满足：700nm≤h4≤2000nm，例如，h4可以为700nm、800nm、1000nm、1200nm、1500nm、2000nm等。
在一些示例性的实施例中，在第一生长温度T1和第一压力P1生长所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层和所述第三AlGaN层，也即，在相同的温度和相同的压力条件下，生长第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层，工艺方便，可实施性强。
在一些示例性的实施例中，在第二生长温度T2、第二压力P2生长所述AlGaN外延层，其中，T2≤T1，于较低的温度生长AlGaN外延层，使得生长出AlGaN外延层具有良好的平整度。
在一些示例性的实施例中，第一生长温度T1满足：1000℃≤T1≤1180℃，第一压力P1满足：20mbar≤P1≤200mbar；第二生长温度T2满足：900℃≤T2≤1170℃，第二压力P2满足：20mbar≤P2≤150mbar。在上述条件下，生长出的第一AlGaN层、第二AlGaN层和第三AlGaN层的层间应力小，能够很好地缓冲直接在纳米图形化衬底表面生长AlGaN外延层的压应力，降低AlGaN外延层的位错密度，以及降低AlGaN外延层的裂纹，使AlGaN外延层具有良好的平整度。
在一些示例性的实施例中，所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层和所述AlGaN外延层的Al组分均为m，m满足：0.5≤m≤0.8，具有便于应力调控、提高晶体质量有益效果。
在一些示例性的实施例中，生长于纳米图形化衬底表面的AlN模板层包括AlN成核层和AlN外延层，具体地，AlN成核层生长于纳米图形化衬底表面，AlN外延层生长于AlN成核层表面，第一AlGaN层生长于AlN外延层表面。
其中，AlN外延层采用X射线衍射ω扫描（002）面摇摆曲线半高宽低于200arscec、（102）面半高宽低于300arscec。AlN外延层具有较低的螺型和刃型位错密度，为AlGaN外延层的生长提供高质量的底层基础，能够减小AlGaN外延层中的压应力，使生长出的AlGaN外延层位错密度低、表面更平整。
在一些示例性的实施例中，在纳米图形化衬底表面生长AlN模板层包括：
将所述纳米图形化衬底于氢气氛围、第一处理温度Tm1、第一处理压力p1、第一处理时间t1，进行烘烤处理。
将所述烘烤处理后的所述纳米图形化衬底于H2氛围、第二处理温度Tm2、第二处理压力p2、第二处理时间t2，进行氮化处理。
将所述氮化处理后的所述纳米图形化衬底于第三处理温度Tm3、第三处理压力p3，持续通入TMAl和氨气，生长AlN成核层，所述AlN成核层的厚度为hm1。
在预设V/III比的条件，于第四处理温度Tm4、第四处理压力p4，持续通入TMAl、TMGa和氨气，生长AlN外延层，所述AlN外延层的厚度为hm2。其中，Tm3<Tm2<Tm1<Tm4，hm1<hm2，p1<p2=p3=p4。
本申请实施例中，在纳米图形化衬底表面生长AlN模板层时，能够实现在纳米图形化衬底表面生长出的AlN成核层在成核阶段岛的合并和侧向生长过程中图形的合拢所产生的应力较小，进而能够使生长于AlN成核层表面的AlN外延层的张应力小，使得AlN模板层整体具有良好的压应力，进而有助于后续生长出的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层和AlGaN外延层的平整度，降低裂纹的产生。
在一些示例性的实施例中，所述烘烤处理中，Tm1满足：1000℃≤Tm1≤1200℃，p1满足：50mbar≤p1≤70mbar，t1满足：450s≤t1≤550s。
在一些示例性的实施例中，所述氮化处理中，Tm2满足：900℃≤Tm2≤1000℃，p2满足：50mbar≤p2≤70mbar，t2满足：6s≤t2≤10s。
在一些示例性的实施例中，生长AlN成核层中，Tm3满足：880℃≤Tm3≤950℃，p3满足：50mbar≤p3≤70mbar，hm1满足：20nm≤hm1≤30nm。
在一些示例性的实施例中，生长AlN外延层中，预设V/III比的范围为：300~500，Tm4满足：1200℃≤Tm3≤1300℃，p3满足：50mbar≤p3≤70mbar，hm2满足：3μm≤hm1≤5μm。
在一些示例性的实施例中，所述纳米图形化衬底的纳米图形阵列包括凹坑-深坑型纳米图形阵列、六角凹坑型纳米图形阵列、正方形排布-凹坑型图形阵列、菱形排布-凹型阵列中的至少一种，图形阵列的单位排布周期范围为1μm~2μm。
在一些示例性的实施例中，所述纳米图形化衬底包括纳米图形化蓝宝石衬底、纳米图形化氮化铝衬底中的至少一种。
本申请实施例还提供一种AlGaN外延结构的生长方法在制造LED外延结构中应用。
本申请实施例的AlGaN外延结构的生长方法及应用，至少具有如下有益效果：
通过在纳米图形化衬底表面设置AlN模板层，为后续各AlGaN层的生长提供高质量的底层基础。在此基础上，通过调制氨气的流量以周期性生长第一AlGaN层和第二AlGaN层，通过调控较高的第二V/III比，增加第二AlGaN层中N原子的化学势以制造更多的金属原子空位，进一步诱导位错以产生攀移行为来增加位错相遇进而湮灭的几率，有效降低第一AlGaN层和第二AlGaN层的位错密度，并且通过调控较低的第一V/III比生长第三AlGaN层，并在第三AlGaN层表面生长AlGaN外延层，能够有效提高AlGaN外延层表面形貌的平整，从而实现高质量无裂纹的AlGaN外延层生长。
本申请实施里的生长方法，能够实现在纳米图形化衬底上生长出无裂纹、缺陷密度低、具有原子级台阶和表面平整的AlGaN外延层，利用X射线衍射ω扫描AlGaN外延层（002）面摇摆曲线半高宽可低于200arscec、（102）面半高宽可低于350arscec，光学显微镜观察外AlGaN外延层无裂纹产生，能用于后续的AlGaN基紫外光电器件有源区的生长。因此，本申请实施例提供的基于NPS的高晶体质量的AlGaN外延层生长方法，得到的AlGaN外延层位错密度低、无裂纹、表面平整，且方法简单易行，可重复性高，十分有利于高质量AlGaN基紫外光电器件的制备。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请一种实施例的AlGaN外延结构的生长方法的流程示意图；
图2为本申请一种实施例的AlGaN外延结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，为本申请实施例的AlGaN外延结构的生长方法的流程示意图，如图2所示，为本申请实施例的AlGaN外延结构的结构示意图。以下将结合具体实施例介绍本申请的AlGaN外延结构的生长方法。
实施例一
步骤S110、在MOCD设备（3×2”AixtronCCSFP-MOCVD）反应室中放入（0001）面六角凹坑型、周期为1μm的纳米图形阵列蓝宝石衬底100，通入H2，控制反应室压力为第一处理压力p1（60mbar）、温度为第一处理温度Tm1（1100℃），于第一处理时间t1（500s）进行烘烤处理。
步骤S120、持续通入氢气，调控反应室压力为第二处理压力p2（60mbar）、温度为第二处理温度Tm2（950℃）。
步骤S130、停止通入氢气，并持续通入氨气和TMAl，调控反应室压力为第三处理压力p3（60mbar）、温度为第三处理温度Tm3（930℃），生长AlN成核层210，AlN成核层210的厚度为25nm。
步骤S140、在预设V/III比（400）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，调控反应室压力为第四处理压力p4（60mbar）、温度为第四处理温度Tm4（1270℃），生长AlN外延层220，AlN外延层220的厚度为4μm。
步骤S150、在第一V/III比（200）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，且TMAl的流量为15mL/min，TMGa的流量为6.3mL/min，氨气的第一流量为73mL/min。调控反应室温度为第一生长温度T1（1000℃）、压力为第一压力P1（50mbar），在AlN外延层220表面生长第一AlGaN层310，第一AlGaN层310的生长组分（Al组分）设计为0.5，第一AlGaN层310的厚度h1为60nm。
步骤S160、控制反应室温度和压力不变，在第二V/III比（3500）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，且TMAl的流量和TMGa的流量不变，氨气的第二流量为1278mL/min，在第一AlGaN层310表面生长第二AlGaN层320，第二AlGaN层320的生长组分（Al组分）设计为0.5，第二AlGaN层320的厚度h2为40nm。
以步骤S150和步骤S160为一个周期，每次在生长第二AlGaN层320后，在第二AlGaN层320表面生长下一个周期的第一AlGaN层310，连续生长10个周期。
步骤S170、在第10个周期生长完第二AlGaN层320后，控制反应室温度和压力不变，在第一V/III比（200）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，且TMAl的流量和TMGa的流量不变，氨气的第一流量为73mL/min，在第10个周期生长出第二AlGaN层320表面生长第三AlGaN层330，第三AlGaN层330的生长组分（Al组分）设计为0.5，第三AlGaN层330的厚度h3为100nm。
步骤S180、在第三V/III比（300）条件，持续通入硅烷、TMAl、TMGa和氨气，且硅烷的流量为0.6mL/min，TMAl的流量为15mL/min，TMGa的流量为6.3mL/min，氨气的流量为110mL/min。调控反应室温度为第二生长温度T2（1155℃）、压力为第二压力P2（50mbar），在第三AlGaN层330表面生长AlGaN外延层400，AlGaN外延层400的生长组分（Al组分）设计为0.5，AlGaN外延层400的厚度h4为1500nm。
在步骤S180结束后，将生长有AlGaN外延层400的纳米图形化衬底100从反应室取出，降温至室温，获得AlGaN外延结构。
对比例一
与实施例一的区别包括：
在步骤S140后，直接采用生长第一AlGaN层310的条件生长AlGaN缓冲层，AlGaN缓冲层的厚度为1100nm。
采用步骤S180中生长AlGaN外延层400的条件，直接在AlGaN缓冲层表面生长AlGaN外延层，AlGaN外延层的厚度为1500nm。
将生长有AlGaN外延层的纳米图形化衬底从反应室取出，降温至室温，获得AlGaN外延结构。
实施例二
步骤S110、在MOCD设备（3×2”AixtronCCSFP-MOCVD）反应室中放入（0001）面六角凹坑型、周期为1.2μm的纳米图形阵列蓝宝石衬底100，通入H2，控制反应室压力为第一处理压力p1（60mbar）、温度为第一处理温度Tm1（1100℃），于第一处理时间t1（500s）进行烘烤处理。
步骤S120、持续通入氢气，调控反应室压力为第二处理压力p2（60mbar）、温度为第二处理温度Tm2（950℃）。
步骤S130、停止通入氢气，并持续通入氨气和TMAl，调控反应室压力为第三处理压力p3（60mbar）、温度为第三处理温度Tm3（930℃），生长AlN成核层210，AlN成核层210的厚度为20nm。
步骤S140、在预设V/III比（400）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，调控反应室压力为第四处理压力p4（60mbar）、温度为第四处理温度Tm4（1270℃），生长AlN外延层220，AlN外延层220的厚度为3.5μm。
步骤S150、在第一V/III比（250）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，且TMAl的流量为19mL/min，TMGa的流量为5.8mL/min，氨气的第一流量为91mL/min。调控反应室温度为第一生长温度T1（1000℃）、压力为第一压力P1（50mbar），在AlN外延层220表面生长第一AlGaN层310，第一AlGaN层310的生长组分（Al组分）设计为0.6，第一AlGaN层310的厚度h1为60nm。
步骤S160、控制反应室温度和压力不变，在第二V/III比（4000）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，且TMAl的流量和TMGa的流量不变，氨气的第二流量为1460mL/min，在第一AlGaN层310表面生长第二AlGaN层320，第二AlGaN层320的生长组分（Al组分）设计为0.6，第二AlGaN层320的厚度h2为40nm。
以步骤S150和步骤S160为一个周期，每次在生长第二AlGaN层320后，在第二AlGaN层320表面生长下一个周期的第一AlGaN层310，连续生长10个周期。
步骤S170、在第10个周期生长完第二AlGaN层320后，控制反应室温度和压力不变，在第一V/III比（250）条件，持续通入TMAl、TMGa和氨气，且TMAl的流量和TMGa的流量不变，氨气的第一流量为91mL/min，在第10个周期生长出第二AlGaN层320表面生长第三AlGaN层330，第三AlGaN层330的生长组分（Al组分）设计为0.6，第三AlGaN层330的厚度h3为100nm。
步骤S180、在第三V/III比（300）条件，持续通入硅烷、TMAl、TMGa和氨气，且硅烷的流量为0.6mL/min，TMAl的流量为19mL/min，TMGa的流量为5.8mL/min，氨气的流量为110mL/min。调控反应室温度为第二生长温度T2（1155℃）、压力为第二压力P2（50mbar），在第三AlGaN层330表面生长AlGaN外延层400，AlGaN外延层400的生长组分（Al组分）设计为0.6，AlGaN外延层400的厚度h4为1500nm。
在步骤S180结束后，将生长有AlGaN外延层400的纳米图形化衬底100从反应室取出，降温至室温，获得AlGaN外延结构。
对比例二
与实施例二的区别包括：
在步骤S140后，直接采用生长第一AlGaN层310的条件生长AlGaN缓冲层，AlGaN缓冲层的厚度为1100nm。
采用步骤S180中生长AlGaN外延层400的条件，直接在AlGaN缓冲层表面生长AlGaN外延层，AlGaN外延层的厚度为1500nm。
将生长有AlGaN外延层的纳米图形化衬底从反应室取出，降温至室温，获得AlGaN外延结构。
将实施例1、实施例2、对比例1和对比例2所得的AlGaN外延结构进行测试，测试结果如下：
（1）原子力显微镜检测，实施例1、实施例2、对比例1和对比例2所得的AlGaN外延结构的AlGaN外延层均具有原子级平整表面。
（2）光学显微镜检测，实施例1、实施例2所得AlGaN外延层400在100倍放大倍数下观察不到裂纹，而对比例1、对比例2所得的AlGaN外延层边缘和中心均有较多的裂纹。
（3）X射线衍射仪和透射电子显微镜检测，实施例1所得的AlGaN外延层400的Al组分为50%，实施例2所得的AlGaN外延层400的Al组分为60%，且实施例1和实施例2获得的AlGaN外延结构的（002）面摇摆曲线半高宽均小于200arscec、（102）面半高宽均小于350arcsec。而对比例1所得的AlGaN外延层的Al组分为53%，对比例2所得的AlGaN外延层的Al组分为59%，对比例1获得的AlGaN外延结构的（002）面摇摆曲线半高宽为280arscec、（102）面半高宽为450arcsec，对比例2获得的AlGaN外延结构的（002）面摇摆曲线半高宽为275arscec、（102）面半高宽为430arcsec，表明采用本申请实施例的生长方法获得的AlGaN外延层具有更好的晶体质量。
最后应说明的是：以上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记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，包括：
将纳米图形化衬底置于反应室，在所述纳米图形化衬底表面生长AlN模板层；
在第一V/III比的条件，持续通入第一流量比的TMAl和TMGa、第一流量的氨气，在所述AlN模板层表面生长第一AlGaN层；
在第二V/III比的条件，持续通入第一流量比的TMAl和TMGa、第二流量的氨气，在所述AlN模板层表面生长第二AlGaN层；其中，所述第二V/III比大于所述第一V/III比，所述第二流量大于所述第一流量；
每个周期按照先生长一层所述第一AlGaN层、再生长一层所述第二AlGaN层的顺序，重复n个周期后，在第一V/III比的条件，持续通入第一流量比的TMAl和TMGa、第一流量的氨气，在所述第二AlGaN层表面生长第三AlGaN层；其中，n为整数，且n满足：5≤n≤20；
在第三V/III比的条件，持续通入第二流量比的TMAl和TMGa、第一流量的氨气、第三流量的硅烷，在所述第三AlGaN层表面生长AlGaN外延层。
2.根据权利要求1所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，所述第一V/III比的范围为20~300；所述第二V/III比的范围为3000~10000；所述第三V/III比的范围为100~500。
3.根据权利要求1所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，TMAl和TMGa的所述第一流量比为1，TMAl和TMGa的所述第二流量比范围为1~1.1；所述AlGaN外延层的生长速度为V1，V1满足：0.4μm/h≤V1≤1.5μm/h。
4.根据权利要求1所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，所述第一AlGaN层的厚度为h1，所述第二AlGaN层的厚度为h2，所述第三AlGaN层的厚度为h3，所述AlGaN外延层的厚度为h4，其中，h2≤h1≤h3≤h4。
5.根据权利要求4所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，
h1满足：60nm≤h1≤200nm；
h2满足：150nm≤h2≤400nm；
h3满足：60nm≤h3≤200nm；
h4满足：700nm≤h4≤2000nm。
6.根据权利要求1所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，
在第一生长温度T1、第一压力P1生长所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层和所述第三AlGaN层，其中，T1满足：1000℃≤T1≤1180℃，P1满足：20mbar≤P1≤200mbar；
在第二生长温度T2、第二压力P2生长所述AlGaN外延层，其中，T2≤T1，且T2满足：900℃≤T2≤1170℃，P2满足：20mbar≤P2≤150mbar。
7.根据权利要求1所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层和所述AlGaN外延层中Al组分为m，m满足：0.5≤m≤0.8。
8.根据权利要求1所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，所述AlN模板层包括AlN成核层和AlN外延层；在所述纳米图形化衬底表面生长AlN模板层包括：
将所述纳米图形化衬底于氢气氛围、第一处理温度Tm1、第一处理压力p1、第一处理时间t1，进行烘烤处理；
将所述烘烤处理后的所述纳米图形化衬底于氢气氛围、第二处理温度Tm2、第二处理压力p2、第二处理时间t2，进行氮化处理；
将所述氮化处理后的所述纳米图形化衬底于第三处理温度Tm3、第三处理压力p3，持续通入TMAl和氨气，生长AlN成核层，所述AlN成核层的厚度为hm1；
于第四处理温度Tm4、第三处理压力p3，持续通入TMAl、TMGa和氨气，生长AlN外延层，所述AlN外延层的厚度为hm2；
其中，Tm3<Tm2<Tm1<Tm4，hm1<hm2，p1<p2=p3=p4。
9.根据权利要求8所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，
所述烘烤处理中，Tm1满足：1000℃≤Tm1≤1200℃，p1满足：50mbar≤p1≤70mbar，t1满足：450s≤t1≤550s；
所述氮化处理中，Tm2满足：900℃≤Tm2≤1000℃，p2满足：50mbar≤p2≤70mbar，t2满足：6s≤t2≤10s；
生长AlN成核层中，Tm3满足：880℃≤Tm3≤950℃，p3满足：50mbar≤p3≤70mbar，hm1满足：20nm≤hm1≤30nm；
生长AlN外延层中，Tm4满足：1200℃≤Tm3≤1300℃，p3满足：50mbar≤p3≤70mbar，hm2满足：3μm≤hm1≤5μm。
10.根据权利要求1所述的AlGaN外延结构的生长方法，其特征在于，所述纳米图形化衬底的纳米图形阵列包括凹坑-深坑型纳米图形阵列、六角排布-凹坑型纳米图形阵列、正方形排布-凹坑型图形阵列、菱形排布-凹型阵列中的至少一种，图形阵列的单位排布周期范围为1μm~2μm；
所述纳米图形化衬底包括纳米图形化蓝宝石衬底、纳米图形化氮化铝衬底中的至少一种。
11.根据权利要求1-10任一项所述的一种AlGaN外延结构的生长方法在制造LED外延结构中的应用。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02275682A (ja) * 1989-01-13 1990-11-09 Toshiba Corp 化合物半導体材料とこれを用いた半導体素子およびその製造方法
JP2004096021A (ja) * 2002-09-04 2004-03-25 Showa Denko Kk Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶、その製造方法、ｉｉｉ族窒化物半導体エピタキシャルウェーハ
JP2004235193A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Sharp Corp 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置
CN101604716A (zh) * 2008-06-10 2009-12-16 北京大学 一种深紫外发光二极管及其制备方法
CN109524292A (zh) * 2018-10-30 2019-03-26 江苏晶曌半导体有限公司 一种在硅衬底上生长高质量氮化镓薄膜的方法
JP2020077831A (ja) * 2018-11-09 2020-05-21 旭化成株式会社 半導体素子及び紫外発光ダイオード
CN111261759A (zh) * 2020-02-17 2020-06-09 武汉大学 一种氮化铝外延结构及其生长方法
CN114784150A (zh) * 2022-02-23 2022-07-22 华灿光电（浙江）有限公司 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法
CN114823993A (zh) * 2022-03-08 2022-07-29 华灿光电(苏州）有限公司 提高空穴量的紫外发光二极管外延片制备方法及外延片
CN115132891A (zh) * 2022-08-10 2022-09-30 江西兆驰半导体有限公司 一种发光二极管外延片及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102188493B1 (ko) * 2014-04-25 2020-12-09 삼성전자주식회사 질화물 단결정 성장방법 및 질화물 반도체 소자 제조방법
DE102018101558A1 (de) * 2018-01-24 2019-07-25 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Verbindungshalbleiter-Bauelements
CN114256057A (zh) * 2020-09-25 2022-03-29 华为技术有限公司 氮化物外延结构和半导体器件

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02275682A (ja) * 1989-01-13 1990-11-09 Toshiba Corp 化合物半導体材料とこれを用いた半導体素子およびその製造方法
JP2004096021A (ja) * 2002-09-04 2004-03-25 Showa Denko Kk Ｉｉｉ族窒化物半導体結晶、その製造方法、ｉｉｉ族窒化物半導体エピタキシャルウェーハ
JP2004235193A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Sharp Corp 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置の製造方法および窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置
CN101604716A (zh) * 2008-06-10 2009-12-16 北京大学 一种深紫外发光二极管及其制备方法
CN109524292A (zh) * 2018-10-30 2019-03-26 江苏晶曌半导体有限公司 一种在硅衬底上生长高质量氮化镓薄膜的方法
JP2020077831A (ja) * 2018-11-09 2020-05-21 旭化成株式会社 半導体素子及び紫外発光ダイオード
CN111261759A (zh) * 2020-02-17 2020-06-09 武汉大学 一种氮化铝外延结构及其生长方法
CN114784150A (zh) * 2022-02-23 2022-07-22 华灿光电（浙江）有限公司 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法
CN114823993A (zh) * 2022-03-08 2022-07-29 华灿光电(苏州）有限公司 提高空穴量的紫外发光二极管外延片制备方法及外延片
CN115132891A (zh) * 2022-08-10 2022-09-30 江西兆驰半导体有限公司 一种发光二极管外延片及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
蓝宝石衬底上AlGaN外延材料的低压MOCVD生长;赵红;邹泽亚;赵文伯;杨晓波;刘挺;廖秀英;王振;周勇;刘万清;;半导体光电;20071215(第06期);全文 *
蓝宝石衬底上原子级光滑AlN外延层的MOCVD生长;赵红;邹泽亚;赵文伯;刘挺;杨晓波;廖秀英;王振;周勇;刘万清;;半导体学报;20071015(第10期);全文 *

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