一种硅基氮化镓外延结构的制作方法

本实用新型涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种硅基氮化镓外延结构。

背景技术：

第三代半导体材料主要包括碳化硅(sic)、氮化镓(gan)、金刚石等，与第二代半导体硅(si)、砷化镓(gaas)等材料相比，第三代半导体材料氮化镓(gan)具有更大的禁带宽度(>3ev)，一般也被称为宽禁带半导体材料。

得益于禁带宽度的优势，gan材料在击穿电场、本征载流子浓度、抗辐照能力方面都明显优于si、gaas等传统半导体材料。

此外，gan材料在载流子迁移率、饱和载流子浓度等方面也较si更为优异，因此特别适用于制作具有高功率密度、高速度、高效率的功率与微波电子器件，在5g通讯、云计算、快充电源、无线充电等领域具有广泛的应用前景。

与此同时，将gan外延生长在硅衬底之上，可以有效地结合gan材料的高性能以及成熟si晶圆的大尺寸、低成本优势。但是，镓与硅之间的晶格失配很大，由于很高的缺陷密度，54％的热膨胀系数，外延膜在降温过程中产生裂纹，金属架直接与硅衬底结束时会有化学回融反应。

在硅衬底上形成高质量的氮化镓材料，同时便于将硅衬底去除，是现有的一个技术难题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种硅基氮化镓外延结构，在硅衬底上形成高质量的氮化镓材料，同时便于将硅衬底去除。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种硅基氮化镓外延结构，包括硅衬底，依次设于硅衬底上的al层、含氮缓冲层、剥离层、n-gan层、有源层和p-gan层；

所述含氮缓冲层包括aln层、algan层和gan层，所述aln层设置在al层和algan层之间，所述gan层设置在algan层和剥离层之间；

所述剥离层由sio2、sinx、al2o3、aln中的一种制成。

作为上述方案的改进，所述剥离层设有若干个孔洞，所述孔洞贯穿所述剥离层，设置在剥离层上的n-gan层填充在孔洞内。

作为上述方案的改进，所述剥离层的厚度为10～300nm。

作为上述方案的改进，所述孔洞的形状为漏斗形，所述孔洞的顶端开口的宽度为a，底端开口的宽度为b，其中，

b＝(0.4～0.6)*a。

作为上述方案的改进，a＝6～50μm。

作为上述方案的改进，孔洞与孔洞之间的距离为c，c＝5～20μm。

作为上述方案的改进，所述al层的厚度为一层al原子的厚度；

所述aln层的厚度为100～500nm，algan层的厚度为200～300nm，gan层的厚度为1～2μm。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

本实用新型提供的一种硅基氮化镓外延结构，包括硅衬底，依次设于硅衬底上的al层、含氮缓冲层、剥离层和氮化镓外延层，所述氮化镓外延层包括依次设置在剥离层上的n-gan层、有源层和p-gan层。

本实用新型的al层和含氮缓冲层用于减少硅衬底和氮化镓外延层之间的晶格失配，提高外延结构的晶体质量。本实用新型的剥离层不仅可以减少后续形成gan的缺陷，也可以采用简单的湿法腐蚀工艺来腐蚀剥离层，从而去除硅衬底。

本实用新型的剥离层由sio2、sinx、al2o3、aln中的一种或几种制成。上述材料为氧化物或是氮化物，不仅与氮化镓具有良好的黏附性，还容易被氢氟酸蚀刻。

本实用新型在剥离层中形成漏斗形的孔洞，可以让腐蚀液轻易地进入到剥离层的内部将剥离层腐蚀掉，从而使硅衬底与氮化镓外延层分离。

附图说明

图1是本实用新型外延结构的结构示意图；

图2是本实用新型孔洞的结构示意图；

图3是本实用新型孔洞的排布示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

参见图1，本实用新型提供的一种硅基氮化镓外延结构，包括硅衬底10，依次设于硅衬底10上的al层20、含氮缓冲层30、剥离层40和氮化镓外延层50，所述氮化镓外延层50包括依次设置在剥离层40上的n-gan层51、有源层52和p-gan层53。

本实用新型的al层20和含氮缓冲层30用于减少硅衬底10和氮化镓外延层50之间的晶格失配，提高外延结构的晶体质量。

具体的，本实用新型的含氮缓冲层30包括aln层31、algan层32和gan层33，所述aln层31设置在al层20和algan层32之间，所述gan层33设置在algan层32和剥离层40之间。

本实用新型含氮缓冲层30中的aln层31、algan层32和gan层33都是三五族元素，晶格都很接近，且与n元素结合，能有效降低硅衬底10和氮化镓之间的晶格失配，提高外延结构的晶体质量。

具体的，aln层31的厚度为100～500nm，algan层32的厚度为200～300nm，gan层33的厚度为1～2μm。

由于aln的晶格常数为0.3112nm小于si(111)衬底10的有效晶格常数0.3840nm，因此aln层中会积累张应力，使得位错得以弯曲、湮灭。若aln层的厚度小于100nm，则厚度太薄，无法遮挡；若aln层的厚度大于500nm，则厚度太大，aln层容易裂开。

由于si与ga反应会形成回融刻蚀坑，造成led芯片漏电、抗静电能力差，故在生长gan之前，先生长一定厚度的aln作为屏障，可以阻止si与ga发生化学反应。

本实用新型的algan层32作为中间层，起到缓冲aln与gan的晶格作用。

当gan层33的厚度达到1μm时，gan层33才整个长平；若gan层33的厚度大于2μm时，则厚度太厚，后面形成的氮化镓外延层50会应力失配，裂开。

本实用新型的剥离层40用于分离硅衬底10和氮化镓外延层50。需要说明的是，本实用新型的外延结构在制作成芯片的过程中，需要去除硅衬底10来提高芯片的发光效率。剥离出来的硅衬底10可以重复使用，以降低生产成本。

本实用新型的剥离层40不仅可以减少后续形成gan的缺陷，也可以采用简单的湿法腐蚀工艺来腐蚀剥离层40，从而去除硅衬底10。

本实用新型的剥离层40由sio2、sinx、al2o3、aln中的一种或几种制成。上述材料为氧化物或是氮化物，不仅与氮化镓具有良好的黏附性，还容易被氢氟酸蚀刻。

本实用新型的剥离层40可以为单层结构，也可以为双层结构。剥离层40的厚度不仅影响硅衬底10的分离，也影响氮化镓外延层50的晶体质量。

优选的，所述剥离层40的厚度为10～300nm。若剥离层40的厚度小于10nm，则厚度太薄，无法成膜；若剥离层40的厚度大于300nm，则厚度太厚，剥离层40会形成块状，块状与氮化镓之间的内应力大太，会造成sio2断裂崩离。

为了便于腐蚀液蚀刻剥离层40，所述剥离层40设有若干个孔洞41，所述孔洞41贯穿所述剥离层40，其中，设置在剥离层40上的n-gan层填充在孔洞41内。

优选的，所述孔洞41的形状为漏斗形。本实用新型在剥离层40中形成漏斗形的孔洞，可以让腐蚀液轻易地进入到剥离层40的内部将剥离层40腐蚀掉，从而使硅衬底10与氮化镓外延层50分离。需要说明的是，填充在孔洞内的氮化镓外延层50在腐蚀的过程中会发生断裂，与缓冲层分离，但不影响氮化镓外延层50整体的质量。

参见图2，所述孔洞41的顶端开口的直径为a，底端开口的直径为b，为了便于腐蚀液进入到剥离层40的内部，优选的，b＝(0.4～0.6)*a。

更优的，a＝6～50μm。若孔洞的顶端开口的直径a小于6μm，则开口太小，外延层难以在孔洞内形成；若a大于50μm，则开口太大，孔洞内的外延层难以断裂分离。

参见图3，所述孔洞41呈阵列排布，孔洞41与孔洞41之间的距离为c，优选的，c＝5～20μm。若c小于5μm，则距离太小，外延层缺陷密度会增加；若c大于20μm，则距离太大，也会影响外延层质量。

需要说明的是，为了进一步提高外延结构的晶体质量，所述剥离层40和n-gan层51之间还设有一层u-gan层54，所述p-gan层53和有源层52之间还设有一层p型algan层55。

相应地，本实用新型还提供了一种硅基氮化镓外延结构的制作方法，包括以下步骤：

一、在硅衬底上形成al层和含氮缓冲层；

具体的，包括：

1、维持mocvd反应腔温度为1000～1100℃，压力为50～200torr，在氢气气氛中处理硅衬底1～5分钟；

由于硅衬底表面有一层薄薄的sio2，在高温下用氢气可以去除衬底表面的氧原子及其他杂质，为后期形成性能良好的外延层打下良好的基础。

2、维持反应腔温度为1100～1100℃，压力为50～200torr，在mocvd反应腔中通入三甲基铝(tmal)，在硅衬底上形成al层；

需要说明的是，al层的厚度为一层al原子的厚度。

本实用新型的al层可有效钝化硅衬底，防止硅衬底与后期的反应气体nh3反应形成非晶的sinx，sinx会严重影响后期gan晶体的生长质量；同时，al层也可作为后期aln的生长种子，使得aln层均匀覆盖于基体表面。

3、维持反应腔温度为960～1060℃，压力为50～200torr，在mocvd设备中通入nh3和tma，在al层上形成aln层；

4、维持反应腔温度为960～1060℃，压力为50～200torr，在mocvd反应腔中通入nh3、tma和三甲基镓(tmga)，在aln层上形成algan层。

其中，的取值范围为0.35～1，且随着所述algan层厚度的增加呈递减变化；或为0.1～1；且随着algan层厚度的增加呈递减变化。具体的，所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。连续变化是指随着缓冲层厚度的增加均匀地减小；梯度变化是指在某一厚度范围内，值维持恒定，当到厚度增加到另一厚度范围后，减小到某一特定的值，并维持恒定；混合梯度变化是指上述两种变化的结合。优选的，递减变化为梯度变化。

其中，algan层的厚度为200～300nm，优选的，其厚度为250～300nm。

需要说明的是，如果直接在aln层上生长gan，那么来自aln层的大量位错会向上延伸至gan层，积累在gan层中的压应力导致位错密度大幅提升。因此，制备了algan层，并且在其生长的过程中，通过控制tma流量，使al组分从1梯度降低至0.35或0.1。随着al组分的减少，algan晶格不断增大，压应力不断积累，在压应力作用下，来自aln层的大量位错会在algan界面处发生弯曲、合并、湮灭，使得延伸至gan的位错密度就会随之大幅减少，gan的晶体质量得到提高。

5、维持反应腔温度为1000～1100℃，压力为100～300torr，通入气体nh3和tmga，在algan层上形成gan层。

二、在缓冲层上形成剥离层，

采用蒸镀、溅镀、pecvd或mocvd工艺，在gan层上形成剥离层。

具体的，所述剥离层有多种实施方式，包括：

实施案例一：维持反应腔温度为200～300℃，压力为450～550torr，在pecvd设备中通入sih4和n2o，在gan层上形成剥离层。

实施案例二：维持反应腔温度为200～300℃，压力为450～550torr，在pecvd设备中通入sinx、sih4和n2o，在gan层上形成剥离层。

实施案例三：维持反应腔温度为200～300℃，压力为450～550torr，在pecvd设备中通入al2o3、tema和n2o，在gan层上形成剥离层。

三、对所述剥离层进行刻蚀，形成若干个孔洞；

采用光刻工艺，对所述剥离层进行刻蚀，刻蚀至gan层的表面形成漏若干个漏斗形的孔洞。

具体的，在剥离层上涂覆一层光刻胶，并对光刻胶进行软考，软烤温度90～100℃，在光刻胶上面覆盖光罩，在波长为365nm的光照下曝光10～15秒，用显影剂显影，显出图型，再对光刻胶进行硬烤，硬烤温度为110～130℃，时间为3～65min；然后采用氢氟酸来蚀刻剥离层，蚀刻时间为30～60min。

本实用新型在剥离层中形成漏斗形的孔洞，可以让腐蚀液轻易地进入到剥离层的内部将剥离层腐蚀掉，从而使硅衬底与氮化镓外延层分离。需要说明的是，填充在孔洞内的氮化镓外延层在腐蚀的过程中会发生断裂，与缓冲层分离，但不影响氮化镓外延层整体的质量。

参见图2，所述孔洞的顶端开口的直径为a，底端开口的直径为b，为了便于腐蚀液进入到剥离层的内部，优选的，b＝(0.4～0.6)*a。

更优的，a＝6～50μm。若孔洞的顶端开口的直径a小于6μm，则开口太小，外延层难以在孔洞内形成；若a大于50μm，则开口太大，孔洞内的外延层难以断裂分离。

需要说明的是，所述孔洞呈阵列排布，孔洞与孔洞之间的距离为c，优选的，c＝5～20μm。若c小于5μm，则距离太小，外延层缺陷密度会增加；若c大于20μm，则距离太大，也会影响外延层质量。

四、在所述剥离层和孔洞内形成外延层。

采用mocvd工艺，在剥离层和孔洞内依次形成n-gan层、有源层和p-gan层。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。