CN207116463U - 一种N型AlGaN结构 - Google Patents

Abstract

一种N型AlGaN结构，包括蓝宝石图形化凸型衬底、采用直流磁控溅射设备在蓝宝石图形化凸型衬底上溅射形成的AlN buffer层及采用MOCVD设备在AlN buffer层上依次外延生长形成的GaN梯形台面层、GaN梯形合并层和重掺杂N型AlGaN生长层，其中所述GaN梯形台面层和GaN梯形合并层内分别生长有梯形插入层。本实用新型由于采用了在溅射形成的AlN buffer层上生长梯形GaN的结构，结合周期性类圆锥体图形的阻断作用，解决了在GaN模板内插入的AlN等易出现的大应力开裂现象，同时为后续AlGaN提前释放应力，解决了高质量重掺杂N型AlGaN的生长开裂问题。

Description

一种N型AlGaN结构

技术领域

本实用新型涉及半导体制备领域，具体是涉及一种用于生长高质量高掺杂的N型AlGaN的外延生长方法。

背景技术

GaN 基紫外LED （发光二极管）是目前替代汞激发紫外光源的唯一固态光源解决方案，特别是针对工业用紫外固化、光触媒以及紫外光刻等技术领域，365nm 紫外LED相比汞灯具有高效节能（单芯片功率超过2W）、环保（无汞灯有害物质污染）、长寿命（寿命超过20000小时）、近似点光源（光源尺寸仅为1mm×1mm）等显著特点。特别是针对超大功率固化领域，365nm紫外LED已具备市场应用价值，目前全球相关产业即将进入快速发展阶段。但365nm已是GaN的本征激发波长，因此传统蓝光LED的InGaN/GaN量子阱已不在适用，需要引入更宽禁带的InGaN/AlGaN量子阱结构，并且GaN载流子注入层对365nm紫外光亦会存在吸收，同时高的载流子注入浓度亦会有效提高LED辐射效率，因此生长高质量高掺杂的N型AlGaN材料作为载流子注入层具有极高的实际应用价值。

当前，N型AlGaN一般采用在AlN 缓冲层上生长得到，为提高AlGaN的晶体质量，多引入低温成核层后再生长高温成核层，后续采用高低温切换生长，从而获得较高质量的N型AlGaN，但是此种方法生长的AlGaN，其位错密度仍高达3E18cm-2。而有实验研究表明在较弱的量子阱禁带限制条件下，位错密度严重影响了LED的量子效率，从而大幅降低其辐射功率，因此需要生长极低错位密度的高质量高掺杂N型AlGaN材料，进而可以提高后续生长的365nm紫外LED的辐射功率。

现今，采用图形衬底生长的产业化GaN模板已经可以将位错密度降低至6E17cm-2，在低位错密度GaN模板上生长的AlGaN理论上也可以达到此种水平，但是由于AlN的晶格常数小于GaN材料，AlGaN生长过程中会产生较大的张应力，因此生长高掺杂的厚膜N型AlGaN会产生大量裂纹，从而严重影响后续的量子阱等外延生长并引起芯片失效。因此，生长无裂纹高质量的高掺杂N型AlGaN目前仍面临着巨大的技术挑战。

发明内容

本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种在简单的结构下能够大幅提高N型AlGaN的晶体质量，同时在较高的掺杂浓度下也不会出现裂纹，从而为高辐射效率365nm紫外LED的制备提供优质模板的N型AlGaN结构。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型所述的N型AlGaN结构，其特点是：包括蓝宝石图形化凸型衬底、采用直流磁控溅射设备在蓝宝石图形化凸型衬底上溅射形成的AlN buffer层及采用MOCVD设备在AlN buffer层上依次外延生长形成的GaN梯形台面层、GaN梯形合并层和重掺杂N型AlGaN生长层，其中所述GaN梯形台面层和GaN梯形合并层内分别生长有梯形插入层。

为了使本实用新型的结构多种多样，所述GaN梯形合并层与重掺杂N型AlGaN生长层之间生长有平坦的GaN 2D生长层。而且，所述GaN 2D生长层的厚度为0～1um。

其中，所述蓝宝石图形化凸型衬底为周期性类圆锥体结构，其图形周期为0.8～5um，类圆锥体高度为0.2～3um，类圆锥体底面直径为0.7～4.9um，且相邻两个类圆锥体之间的衬底部分为平面蓝宝石衬底。

所述AlN buffer层位于平面蓝宝石衬底上的部分为平面buffer层，该平面buffer层的厚度为10～100nm。

所述GaN梯形台面层生长在平面buffer层上，且其台面高度等于类圆锥体高度。

所述GaN梯形合并层生长至顶面平整。

所述梯形插入层等间隔地设置有2～5个，各梯形插入层的厚度为10～30nm。

所述梯形插入层为AlN层、AlGaN层、AlInN层、AlInGaN层中的至少一种。

所述重掺杂N型AlGaN生长层的厚度为1～3um。

本实用新型与现有技术相比，具有以下显著优点：

本实用新型采用在蓝宝石图形化凸型衬底上溅射的AlN buffer层上生长高质量的GaN模板（包括GaN梯形台面层和GaN梯形合并层），其位错密度可低至5E17cm-2，其上生长的N型AlGaN位错密度亦为相同的极低水平；本实用新型采用生长梯形GaN，在其生长过程中存在大面积的GaN斜面和小面积的GaN平面，结合周期性类圆锥体图形的阻断作用，在GaN模板内插入的AlN等梯形插入层不生长在同一平面，因而不会出现平面GaN内插入层因应力太大产生的插入层开裂现象，因此引入的梯形插入层可以提前引入较大的压应力，为后续AlGaN提前释放应力，解决N型AlGaN的生长开裂问题；本实用新型采用梯形插入层与GaN同条件生长手段，梯形插入层从开始至结束只切换TMGa和TMAl、TMIn，因此生长过程连续、工艺简单，并同时保证了较低的位错密度和较高的材料质量。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型方案一的结构示意图。

图2为本实用新型方案一的其中一种结构在图1虚线框处的细节示意图。

图3为本实用新型方案一的另一种结构在图1虚线框处的细节示意图。

图4为本实用新型方案二的结构示意图。

图5为本实用新型方案二在图4虚线框处的细节示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实用新型所述的N型AlGaN结构，包括蓝宝石图形化凸型衬底1、采用直流磁控溅射设备在蓝宝石图形化凸型衬底1上溅射形成的AlN buffer层2及采用MOCVD设备在AlN buffer层上依次外延生长形成的GaN梯形台面层3、GaN梯形合并层4、平坦的GaN 2D生长层5和重掺杂N型AlGaN生长层6。

其中，所述GaN 2D生长层5的厚度为0～1um。当GaN 2D生长层5的厚度为0时，本实用新型所述的N型AlGaN结构，如图4-图5所示。此时，在AlN buffer层上是依次外延生长形成有GaN梯形台面层3、GaN梯形合并层4、和重掺杂N型AlGaN生长层6。

如图1-图5所示，所述GaN梯形台面层3和GaN梯形合并层4内分别生长有梯形插入层7，而且所述梯形插入层7等间隔地设置有2～5个，各梯形插入层7的厚度为10～30nm，并且所述梯形插入层7为AlN层、AlGaN层、AlInN层、AlInGaN层中的至少一种。所述蓝宝石图形化凸型衬底1为周期性类圆锥体结构，其图形周期为0.8～5um，类圆锥体高度为0.2～3um，类圆锥体底面直径为0.7～4.9um，且相邻两个类圆锥体之间的衬底部分为平面蓝宝石衬底。所述AlN buffer层2位于平面蓝宝石衬底上的部分为平面buffer层，该平面buffer层的厚度为10～100nm。所述GaN梯形台面层3生长在平面buffer层上，且其台面高度等于类圆锥体高度。而所述GaN梯形合并层4生长至顶面平整，从而便于在其平整的顶面上生长GaN 2D生长层5或重掺杂N型AlGaN生长层6。所述重掺杂N型AlGaN生长层6的厚度为1～3um。

本实用新型所述的N型AlGaN结构，通过以下方法制备而成：

首先，采用直流磁控溅射设备在蓝宝石图形化凸型衬底上溅射AlN buffer层；

接着，采用有机金属化学气相沉积设备（MOCVD）：

在AlN buffer层上生长GaN梯形台面层，生长条件为：生长温度900～1000℃，生长压力650～450mbar，NH3/TMGa流量比为100～160；生长过程中等间距插入2～5个梯形插入层；

在GaN梯形台面层上生长GaN梯形合并层，生长条件为：生长温度1000～1050℃，生长压力450～200mbar，NH3/ TMGa流量比为120～200；生长过程中等间距插入2～5个梯形插入层；

在GaN梯形合并层上直接生长重掺杂的N型AlGaN生长层（如图2所示），或者先在GaN梯形合并层上生长平坦的GaN 2D生长层，生长条件为：生长温度900～1100℃，生长压力200～50mbar，NH3/TMGa流量比为100～200，再在GaN 2D生长层上生长重掺杂的N型AlGaN生长层（如图1所示）；所述重掺杂N型AlGaN生长层的生长条件为：Si掺杂浓度1E18～5E19，生长温度900～1300℃，生长压力200～50mbar，NH3/（TMGa+TMAl）流量比为40～200，TMGa/TMAl流量比为0.1～10；

最后，在H2、NH3混合气氛下降温冷却，降温速度为1～3℃/s，冷却过程中H2/NH3流量比为0.2～5。

下面结合具体实施例对本实用新型的制备进行详细说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本实用新型的N型AlGaN生长步骤如下：

步骤1），选用周期性类圆锥体结构的蓝宝石图形化凸型衬底，其中类圆锥体高度1.7um，类圆锥体底面直径2.7um，图形周期3um；

步骤2），采用直流磁控溅射设备在650℃，在氩气（Ar）、氮气（N2）、氧气（O2）条件下，用300V偏压冲击Al靶在蓝宝石图形化凸型衬底的类圆锥体结构所在面上溅射30nm厚的AlN buffer层；

步骤3），将溅射好AlN buffer层的蓝宝石图形化凸型衬底放入有机金属化学气相沉积设备（MOCVD）的反应腔内，在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至950℃，降压至600mbar，通入NH3/TMGa流量比为110的TMGa，在AlN buffer层上生长0.6um厚的GaN梯形台面层；

步骤4），关闭TMGa，同时通入TMAl，其它生长条件保持不变，在GaN梯形台面层上生长20nm厚的AlN梯形插入层；

步骤5），关闭TMAl，同时通入NH3/TMGa流量比为110的TMGa，其它生长条件保持不变，在AlN梯形插入层上生长0.6um厚的GaN梯形台面层；

重复步骤4）和5），共生成2个AlN梯形插入层；

步骤6），在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至1030℃，降压至300mbar，通入NH3/TMGa流量比为160的TMGa，在GaN梯形台面层上生长0.6um厚的GaN梯形合并层；

步骤7），关闭TMGa，同时通入TMAl，其它生长条件保持不变，在GaN梯形合并层上生长20nm厚的AlN梯形插入层；

步骤8），关闭TMAl，同时通入NH3/TMGa流量比为160的TMGa，其它生长条件保持不变，在AlN梯形插入层上生长0.6um厚的GaN梯形合并层；

重复步骤7）和8），共生长2个AlN梯形插入层，且最终形成的GaN梯形合并层的顶面平整；

步骤9），在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至1050℃，降压至150mbar，通入NH3/TMGa流量比为150的TMGa，在GaN梯形合并层上生长1um厚的GaN 2D生长层；

步骤10），在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至1060℃，降压至100mbar，在NH3/（TMGa+TMAl）流量比为100、TMGa/TMAl流量比为1、Si掺杂浓度1E19条件下，在GaN 2D生长层上生长2.5um厚的N型AlGaN生长层；

步骤11），在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下，在800s时间内降温至400℃，后续通过设备慢降温至常温，完成N型AlGaN生长。

实施例2：

如图1和图3所示，该实施例与实施例1的不同之处在于：

步骤3，将溅射好AlN buffer层的蓝宝石图形化凸型衬底放入有机金属化学气相沉积设备（MOCVD）的反应腔内，在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至950℃，降压至600mbar，通入NH3/TMGa流量比为110的TMGa，在AlN buffer层上生长0.34um厚的GaN梯形台面层；

步骤4），关闭TMGa，同时通入TMAl、TMIn，其它生长条件保持不变，在GaN梯形台面层上生长20nm厚的AlInN梯形插入层；

步骤5），关闭TMAl、TMIn，同时通入NH3/TMGa流量比为110的TMGa，其它生长条件保持不变，在AlInN梯形插入层上生长0.34um厚的GaN梯形台面层；

再重复三次步骤4）和5），共生长4个AlInN梯形插入层；

步骤6），在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至1030℃，降压至300mbar，通入NH3/TMGa流量比为160的TMGa，在GaN梯形台面层上生长0.36um厚的GaN梯形合并层；

步骤7），关闭TMGa，同时通入TMAl、TMIn，其它生长条件保持不变，在GaN梯形合并层上生长20nm厚的AlInN梯形插入层；

步骤8），关闭TMAl、TMIn，同时通入NH3/TMGa流量比为160的TMGa，其它生长条件保持不变，在AlInN梯形插入层上生长0.36um厚的GaN梯形合并层；

再重复三次步骤7）和8），共生长4个AlInN梯形插入层，且最终形成的GaN梯形合并层的顶面平整；

步骤9），在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至1050℃，降压至150mbar，通入NH3/TMGa流量比为150的TMGa，在GaN梯形合并层上生长0.8um厚的GaN 2D生长层。

实施例3：

如图4和图5所示，该实施例与实施例1的不同之处在于：

步骤2），采用直流磁控反应溅射设备在650℃，在氩气（Ar）、氮气（N2）、氧气（O2）条件下，用300V偏压冲击Al靶在蓝宝石图形化凸型衬底的类圆锥体结构所在面上溅射20nm厚的AlN buffer层；

步骤7），关闭TMGa，同时通入NH3/TMAl流量比为400的TMAl，其它生长条件保持不变，在GaN梯形合并层上生长20nm厚的AlN梯形插入层；

步骤8），关闭TMAl，同时通入NH3/TMGa流量比为160的TMGa，其它生长条件保持不变，在AlN梯形插入层上生长0.6um厚的GaN梯形合并层；

重复步骤7）和8），共生长2个AlN梯形插入层，且最终形成的GaN梯形合并层的顶面平整；

不生长GaN 2D生长层；

步骤10），在氨气（NH3）、氢气（H2）气氛下升温至1060℃，降压至100mbar，在NH3/（TMGa+TMAl）流量比为100、TMGa/TMAl流量比为1、Si掺杂浓度1E19条件下，在GaN梯形合并层上生长2um厚的N型AlGaN生长层。

本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种N型AlGaN结构，其特征在于：包括蓝宝石图形化凸型衬底（1）、采用直流磁控溅射设备在蓝宝石图形化凸型衬底（1）上溅射形成的AlN buffer层（2）及采用MOCVD设备在AlN buffer层上依次外延生长形成的GaN梯形台面层（3）、GaN梯形合并层（4）和重掺杂N型AlGaN生长层（6），其中所述GaN梯形台面层（3）和GaN梯形合并层（4）内分别生长有梯形插入层（7）。

2.根据权利要求1所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述GaN梯形合并层（4）与重掺杂N型AlGaN生长层（6）之间生长有平坦的GaN 2D生长层（5）。

3.根据权利要求1或2所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述蓝宝石图形化凸型衬底（1）为周期性类圆锥体结构，其图形周期为0.8～5um，类圆锥体高度为0.2～3um，类圆锥体底面直径为0.7～4.9um，且相邻两个类圆锥体之间的衬底部分为平面蓝宝石衬底。

4.根据权利要求3所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述AlN buffer层（2）位于平面蓝宝石衬底上的部分为平面buffer层，该平面buffer层的厚度为10～100nm。

5.根据权利要求3所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述GaN梯形台面层（3）生长在平面buffer层上，且其台面高度等于类圆锥体高度。

6.根据权利要求1或2所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述GaN梯形合并层（4）生长至顶面平整。

7.根据权利要求1或2所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述梯形插入层（7）等间隔地设置有2～5个，各梯形插入层（7）的厚度为10～30nm。

8.根据权利要求1或2所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述梯形插入层（7）为AlN层、AlGaN层、AlInN层、AlInGaN层中的至少一种。

9.根据权利要求2所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述GaN 2D生长层（5）的厚度为0～1um。

10.根据权利要求1或2所述的N型AlGaN结构，其特征在于：所述重掺杂N型AlGaN生长层（6）的厚度为1～3um。