本发明属于led外延片制造领域，尤其涉及一种氮化物led外延层结构及制造方法。
背景技术：
当正向电压施加在半导体发光元件（led）上的情况下，p型半导体层的空穴与n型半导体层的电子相结合，发射出与带隙能量相对应波长的光。氮化镓基半导体(alxinyga1-x-yn;0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)通过改变其外延层当中铝、铟和镓的组成比，发出不同波长的光，并作为这样的一种发光元件材料受到瞩目。
氮化镓基外延层通过高温沉积过程生长获得，在制造过程如湿法蚀刻过程中，通过酸性或碱性的化学药品暴露出来。因此具有高熔点(2050℃)以及优秀的耐化学性的六方晶系构造的带有类似氮化镓基外延层晶体学构造的蓝宝石衬底被用作氮化镓基外延层的生长基板。但是，由于蓝宝石衬底和氮化镓半导体层的晶格常数差异造成的晶格失配情况较为严重，且界面之间的晶格不一致导致产生位错(dislocation)。这样的位错向外延层的内部扩散，这是降低发光二极管发光效率的关键因素。
在现有技术中，为了减少以上所述的位错缺陷已经研究出了一种无掺杂氮化镓(ugan)底层的形成方法。但是随着ugan底层厚度的增加，由于热膨胀系数差异容易产生裂纹，并不能真正稳妥地解决氮化镓半导体层的脱位缺陷和裂纹的产生的问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足和难以解决的技术缺陷，本发明提供了一种主要针对氮化物底层（nitridetemplate）结构进行改进的氮化镓基外延层结构方案，其具体采用以下技术方案：
一种氮化物led外延层结构，其特征在于，包括：在表面形成有凸状图形的蓝宝石衬底、在所述蓝宝石衬底上形成的下部ugan层、在所述下部ugan层上形成的凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层、在所述应力释放层上形成的氮化硅插入层、在所述氮化硅插入层上形成的上部ugan层、以及在所述上部ugan层上形成的氮化镓基外延层。
优选地，所述氮化硅插入层的厚度为1nm-1.5nm。
优选地，所述氮化硅插入层中具有纳米孔结构。
优选地，所述蓝宝石衬底和下部ugan层之间设置有种晶层，所述种晶层为包含氮化铝的氮化物底层。
一种氮化物led外延层结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底图形化，表面形成多个凸状图形；
步骤2：在所述蓝宝石衬底上形成下部ugan层；
步骤3：在所述下部ugan层上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层；
步骤4：在所述应力释放层上形成氮化硅插入层；
步骤5：在所述氮化硅插入层上形成上部ugan层；
步骤6：在所述上部ugan层上形成氮化镓基外延层。
优选地，在步骤3中，形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层的温度条件为：800℃到900℃。
优选地，在步骤1和步骤2之间还包括步骤11：在所述蓝宝石衬底上形成种晶层，所述种晶层由氮化铝在1050℃到1200℃的温度下，通过化学气相沉积法蒸镀沉积形成；所述步骤2为：在所述种晶层上形成下部ugan层。
优选地，在步骤2中，所述下部ugan层在950℃以上的温度下进行蒸镀沉积形成；在步骤5中，所述上部ugan层在950℃以上的温度下进行蒸镀沉积形成。
优选地，在步骤3中，所述应力释放层的上侧为通过调节应力释放层生长时间及生长温度形成的凸丘状图案，或通过图案化及刻蚀形成的凹凸状图案。
优选地，在步骤4中，所述氮化硅插入层的形成过程中，采用形成下部ugan层和应力释放层时所使用的反应室，通过注入含甲硅烷及氮气的反应源，蒸镀形成氮化硅插入层；所述氮化硅插入层中具有纳米孔结构。
本发明及其优选方案的提出，不仅解决了在蓝宝石衬底上生长氮化镓半导体层时产生位错缺陷问题，同时还解决了脱位缺陷和裂纹的产生的问题，可以最大限度地减少由贯穿电势引发缺陷的形象，从而形成高质量外延层，同时，通过增加ugan层厚度，可以防止裂纹的发生。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为现有技术中氮化物led外延层结构截面结构示意图；
图2为本发明实施例的截面结构示意图；
图3为本发明实施例的制造方法流程示意图；
图中：20-蓝宝石衬底；21-种晶层；12-ugan层；22-下部ugan层；23-应力释放层；25-氮化硅插入层；26-上部ugan层；27-氮化镓基外延层。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，在现有技术中，为了解决蓝宝石衬底20及生长在其上的氮化镓基外延层27由于晶格失配产生的位错缺陷的问题，采用的是插入一层ugan层12的方案，其中，种晶层21的设置是为了使蓝宝石衬底20上能够更好地生长ugan层12。但是，虽然厚厚的ugan层12或多或少可以防止在与蓝宝石衬底20的临界面上发生的位错传播至氮化镓基外延层27，但由于蓝宝石衬底20与ugan层12间的热膨胀系数差异将产生应力，因此当ugan层12的厚度超过2㎛时，就很容易发生因应力而破裂的现象。
如图2所示，本发明针对现有技术的方案作出了改进，其要旨在于：在表面形成有凸状图形的蓝宝石衬底20（图形化蓝宝石衬底20）上形成下部ugan层22、在下部ugan层22上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层23、在应力释放层23上形成氮化硅插入层25、在氮化硅插入层25上形成上部ugan层26、以及在上部ugan层26上形成氮化镓基外延层27。
其中，将蓝宝石衬底20图案化之后形成阵列排布的凸状图形后，可以减少氮化物底层生长时产生的缺陷，防止内部全反射，同时增加发光效率。
在蓝宝石衬底20上可以选择性地生长种晶层21，种晶层21可以调节氮化镓的晶体核生成率。种晶层21之中包含有氮化铝(aln)。
下部ugan层22形成于蓝宝石衬底20或种晶层21上，作为削减与蓝宝石衬底20间因晶格系数差异而产生的位错缺陷的一层，下部ugan层22包含未掺杂的氮化镓半导体。
应力缓冲层作为具有凸丘状（hillock）或凹凸状图案的氮化镓晶体层，它在低温下形成，具有很多缺陷。应力缓冲层的凸丘或凹凸图案可以吸收因加热或冷却时发生的热膨胀系数差异而产生的应力，并且起着防止发生破裂的作用。
氮化硅插入层25的厚度仅为1nm-1.5nm.非常薄的氮化硅插入层25中可以形成纳米孔结构。即，在此情况下，氮化硅插入层25实际在应力缓冲层上形成了多个氮化硅岛（island），这些氮化硅岛可以起纳米罩（nano-mask）的作用。
上部ugan层26作为在从氮化硅插入层25的纳米孔结构而裸露的应力缓冲层侧面长出的氮化镓晶体，是一种几乎没有缺陷的高品质氮化镓半导体层。而且因蓝宝石衬底20的热膨胀系数差异引起的应力也可以由其下部的应力缓冲层消除。因而，为了更进一步地消除遗留的位错缺陷等，可以形成一层厚度充分的上部ugan层26。
在此基础上，形成的氮化镓基外延层27即可为几乎没缺陷的高品质外延层。
如图3所示，本实施例的制造方法大致可以划分为s10~s60，共6个步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底20图形化，表面形成多个凸状图形；（s10）
步骤2：在蓝宝石衬底20上形成下部ugan层22；（s20）
步骤3：在下部ugan层22上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层23；（s30）
步骤4：在应力释放层23上形成氮化硅插入层25；（s40）
步骤5：在氮化硅插入层25上形成上部ugan层26；（s50）
步骤6：在上部ugan层26上形成氮化镓基外延层27。（s60）
将蓝宝石衬底20图形化，表面形成多个凸状图形（s10）是指利用光刻技术形成蚀刻掩模，继而进行湿法刻蚀形成凸状图案。凸状图案可以是纳米或者微米尺寸。凸状图案可以具有减小通过下部ugan层22的电流密度且最大化其内部全反射的作用。根据蚀刻掩模及湿法刻蚀工艺，凸状图案可以为金字塔形、晶状体形、圆柱形等多种形态。
在s10和s20之间，还可以选择性地包含形成种晶层21的阶段。种晶层21可以通过在图形化的蓝宝石衬底20表面蒸镀氮化铝(aln)而形成。氮化铝(aln)可以在1050℃到1200℃的温度下，通过化学气相沉积法被蒸镀沉积。也可以通过物理气相沉积(physicalvapordeposition),溅射(sputtering),氢化物气相沉积法(hydridevaporphaseepitaxy,hvpe)或者原子层沉积常规沉积法进行蒸镀。
在蓝宝石衬底20上形成下部ugan层22(s20)是指在图形化的蓝宝石衬底20的表面或种晶层21上沉积或生长ugan薄膜的阶段。下部ugan层22在950℃以上的高温下可以通过化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、氢化物气相沉积或原子层沉积等方法进行蒸镀沉积。
在下部ugan层22上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层23（s30）包含在比形成种晶层21及下部ugan层22阶段更低的温度下生长gan的阶段。应力释放层23可以通过化学气相沉积法或氢化物气相沉积法在800℃至900℃的温度下进行沉积而形成。调节应力释放层23的生长时间及生长温度可以在表面形成凸丘（hillock）。或者在沉积的应力缓冲层上通过图案化及刻蚀可以在表面形成凹凸图案。凸丘（hillock）或凹凸图案可以在后续的氮化硅插入层25形成阶段使氮化硅插入层25沉积得不均匀。而且凸丘（hillock）或凹凸图案减小了加热及冷却产生的应力，防止氮化物底层发生破裂。
在应力释放层23上形成氮化硅插入层25(s40)包含在应力释放层23上形成非常薄的氮化硅薄膜的阶段，本实施例中可以选择使用类如化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积或溅射等常规方法沉积氮化硅。但为简化制造工艺，减少制造成本，本实施例选择通过在与沉积下部ugan层22及应力释放层23使用的同一反应室内注入含甲硅烷及氮气的反应源，继而蒸镀形成氮化硅插入层25。通过调节氮化硅插入层25的工艺时间及温度，形成具有纳米孔结构的氮化硅插入层25。氮化硅插入层25在应力释放层23形成的凸丘（hillock）或凹凸图案的上面形成，并露出侧面。
在氮化硅插入层25上形成上部ugan层26(s50)是指将氮化硅插入层25用作掩模（mask）并沿侧面方向生长高质量ugan的阶段。如前所述，当氮化硅插入层25具备纳米孔或因应力释放层23的凸丘或凹凸图案而未均匀沉积时，从由氮化硅插入层25露出的应力释放层23开始，ugan层出现侧方向过生长。上部ugan层26可以在与下部ugan层22相同的950℃以上的高温下通过类如化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、氢化物气相沉积或者原子层沉积等方法进行蒸镀沉积。
在上部ugan层26上形成氮化镓基外延层27(s60)的过程，可以通过常规的氮化镓基外延层27生长方法完成。
本实施例提供的方案可以尽可能减少由穿过电流产生的缺陷，形成高质量外延层，防止ugan层随着厚度变厚而破裂。
本专利不局限于最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的氮化物led外延层结构及制造方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。