本实用新型涉及半导体外延技术领域，具体而言，涉及一种AlN外延层以及AlGaN光电器件。
背景技术：
近年来，由于具备直接带隙、禁带宽且可调、耐高温、抗辐射等众多优势，AlGaN材料在光电器件和电子器件领域展现出广阔的应用前景。从生长应变和光透过率的角度考虑，要想制备高质量的AlGaN材料及相关器件，采用AlN同质衬底和AlN/蓝宝石模版衬底是较为理想的选择。现有技术中，由于缺少低成本、高质量、大尺寸的AlN单晶衬底，相比于AlN同质衬底来说，在廉价成熟的蓝宝石衬底上生长AlN模版是该领域的主流技术路线。
然而，现阶段，在蓝宝石衬底上生长AlN仍存在诸多的问题，例如，异质界面的极性控制对AlN模版的外延是很大的挑战；较大的热失配和晶格失配会导致AlN表面开裂和产生高密度的失配位错等，导致器件性能的严重恶化。因此，发展的高质量AlN模版，是制备高性能光电器件和电子器件的重要前提。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种AlN外延层，其具有表面平整，没有裂纹、坑、颗粒，具有单一Al极性以及低错位密度的特点。
本实用新型的另一目的在于提供了一种AlGaN光电器件，其由上述AlN外延层继续生长得到，其结晶效果好，缺陷少，并且光电性能优异。
本实用新型的实施例是这样实现的：
一种AlN外延层，其依次包括：
蓝宝石衬底；
由氮源和有机铝源在500～750℃下沉积制得的N极性隔绝层；
由氮源和有机铝源在850～980℃下沉积制得的成核层；
由氮源和有机铝源在1000～1100℃下沉积制得的缺陷修复层；以及
由氮源和有机铝源在1200～1500℃下沉积制得快速沉积层。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，N极性隔绝层的厚度为1～5nm。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，N极性隔绝层是在氮源和有机铝源的摩尔流量比为30～60的条件下沉积制得。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，成核层的厚度为20～50nm。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，成核层是在氮源和有机铝源的摩尔流量比为40～200的条件下沉积制得。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，缺陷修复层的厚度为100～800nm。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，缺陷修复层是在氮源和有机铝源的摩尔流量比为1000～4000的条件下沉积制得。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，快速沉积层的厚度大于等于1000nm。
进一步地，在本实用新型其它较佳实施例中，快速沉积层是在氮源和有机铝源的摩尔流量比为100～300的条件下沉积制得。
一种AlGaN光电器件，其包括上述AlN外延层。
本实用新型实施例的有益效果是：
本实用新型实施例提供了一种AlN外延层，其依次包括蓝宝石衬底、N极性隔绝层、成核层、缺陷修复层和快速沉积层。N极性隔绝层在较低温度下沉积得到，较低温度下Al原子的迁移能力较弱，结晶质量差，但可以防止形成“反形畴”(N极性AlN)，从而较好的隔绝N极性，形成单一的Al极性。然后，成核层的沉积温度相比N极性隔绝层略有提高，使得Al原子的表面迁移能力提高，可以提高成核层质量。缺陷修复层在较高温度下沉积得到，其可以在保证应变释放和位错湮灭的情况下降低点缺陷浓度。快速沉积层则是在高温下沉积得到，高温利于保持Al原子的高迁移能力，以实现快速沉积，提高生长效率。该AlN外延层具有表面平整、没有表面缺陷、单一Al极性、低位错密度的特点。
本实用新型的还提供了一种AlGaN光电器件，其包括上述AlN外延层。其在上述AlN外延层的基础上以镓源、氮源、铝源共同沉积得到，有高品质的AlN外延层作为保障，该AlGaN光电器件同样具备表面平整、没有表面缺陷、低位错密度的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本实用新型实施例1所提供的一种AlN外延层的层叠结构示意图。
图标：100-AlN外延层；110-蓝宝石衬底；120-N极性隔绝层；130-成核层；140-缺陷修复层；150-快速沉积层。
具体实施方式
为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
本实施例提供了一种AlN外延层100，参照图1所示，其由下至上依次包括蓝宝石衬底110、N极性隔绝层120、成核层130、缺陷修复层140。
在本实施例中，该AlN外延层100方法采用金属有机物化学气相沉淀生长法(MOCVD)制备得到，采用氮源和有机铝源在蓝宝石衬底110表面进行化学沉积，其中，氮源为氨气，有机铝源包括TMAl和TEAl中的至少一种。
本实施例中采用的蓝宝石衬底110为半导体领域中的常规技术手段，其具体性质将不在此处进行赘述。蓝宝石衬底110有许多的优点。首先，蓝宝石衬底110的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。在本实施例中，为了得到更好的晶体质量，所采用的蓝宝石衬底110在进行AlN沉积之前，还需要进行预处理。
预处理包括先将蓝宝石衬底110进行烘烤，对蓝宝石衬底110进行烘烤可以除去蓝宝石衬底110表面的杂质，保持蓝宝石衬底110表面的平整度，从而更好的生长AlN外延层100。传统工艺中，对蓝宝石衬底110进行烘烤的工艺参照GaN的工艺进行，对蓝宝石衬底110的烘烤温度通常在1080～1150℃，容易造成AlN外延层100重复性差，影响相关器件可靠性。而本实施例中所采用的蓝宝石衬底110是于850～950℃下进行烘烤处理，烘烤时间为200～400s。采用较低的温度以及较短的时间，可以有效提高AlN生长的可重复性。
烘烤结束后，采用有机铝源对蓝宝石衬底110的表面进行处理。用有机铝源处理蓝宝石衬底110的表面可以提高蓝宝石衬底110的表面平整度，并且利于保证单一Al极性。进行预处理时，有机铝源的流量为10～30sccm，预处理时间小于10s。
如图1所示，N极性隔绝层120是由氮源和有机铝源在蓝宝石衬底110上，于500～750℃下沉积AlN形成。形成N极性隔绝层120时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为30～60。在较低的氮源/有机铝源摩尔流量比下，使有机铝的量相对富裕，能有效防止蓝宝石衬底110被氮化，更易于得到Al极性的AlN，从而更好保持Al极性的单一性。进一步地，N极性隔绝层120的厚度为1～5nm。由于在低温和低氮源/有机铝源摩尔流量比下，容易形成粗糙表面，生长太厚会影响到后续外延的表面质量，综合考虑下，1～5nm的N极性隔绝层120即可很好的保持Al极性的单一性，同时不会影响后续生长的质量。
如图1所示，成核层130设置于N极性隔绝层120之上，是有单元和有机铝源于850-980℃下，在N极性隔绝层120上沉积得到。同时，在形成成核层130时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为40～200。成核层130的生长同样保持在较低的氮源/有机铝源摩尔流量比下，保持有机铝的量相对富裕，避免产生混合极性AlN而影响表面形貌。同时，较低的氮源/有机铝源摩尔流量比可以提高Al原子在的横向迁移率，更加利于获得光滑的AlN外延层100。优选地，成核层130的厚度为20～50nm，在该厚度范围内的成核层130即可保证其表面质量，利于后续在高温下快速生长。
由于AlN和蓝宝石之间的晶格常数和热膨胀系数差异都比较大，直接在蓝宝石上生长外延层，会造成位错密度大、表面粗糙、设置裂纹等情况，从而影响最终AlGaN基器件的性能。现有技术中，在蓝宝石衬底110的表面生长AlN主要通过两步法进行，即在较低温度下生长一层很薄成核层130作为缓冲，再在较高温度下，于成核层130上生长所需外延层。但是，低温AlN成核层130受制于Al原子较弱的迁移能力，结晶质量较差，而中温AlN成核层130相比低温AlN成核层130，虽然可以改善Al原子的表面迁移能力，但容易形成N极性AlN，同样会影响材料质量。
而本实施例中AlN外延层100，采用先在较低温度(500～750℃)下沉积AlN，形成一层N极性隔绝层120，再在中温(850-980℃)下于N极性隔绝层120上沉积AlN，形成成核层130。由于在较低温度下沉积，Al原子的迁移能力较弱，不会形成N极性AlN，所以N极性隔绝层120可以较好的保持Al极性单一性。而在N极性隔绝层120上继续生长成核层130时，由于N极性隔绝层120的作用，即使将温度升高，Al原子的表面迁移率提升，也难以再形成N极性AlN，从而可以在保持Al极性单一性的同时，提高成核层130的质量。这种较低温度下形成N极性隔绝层120，再在中温下形成成核层130的方式乃发明人经过自身创造性劳动得到的方案，对于提高最终产品质量具有明显的效果。同时，形成N极性隔绝层120和成核层130时所采用的500～750℃和850-980℃温度范围，是发明人经过进一步优化后得到的较佳温度组合，在该范围内得到的成核层130不仅极性单一，而且表面质量好，易于后续在高温下继续外延生长。
如图1所示，缺陷修复层140位于成核层130之上，是由氮源和有机铝源于1000-1100℃下，在成核层130上沉积得到。进一步地，形成缺陷修复层140时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为1000～4000。采用较高的氮源/有机铝源摩尔流量比可以使AlN转变为岛状模式生长，创造出“多面生长模式”，从而更好的让应变得以释放和对位错进行湮灭，更为有效地降低点缺陷浓度。优选地，缺陷修复层140的厚度为100～800nm。经过发明人的创造性劳动发现，在该厚度范围内，应变释放和位错湮灭的情况较佳，表面质量好，更利于后续AlN的快速生长。
发明人在经过创造性劳动之后发现，在形成成核层130之后，若直接在高温下进行快速生长，不能充分弛豫应变和有效湮灭贯穿位错。为此，发明人在进行快速生长前，先在成核层130上沉积一层缺陷修复层140，该缺陷修复层140可以在保证应变释放和位错湮灭的情况下，有效降低点缺陷浓度，从而为后续的高温快速生长过程打下基础，利于获得较高质量的AlN外延层100。1000-1100℃的温度范围，是经过发明人优化后的结果，在该温度范围内进行缺陷修复的效果更佳。
如图1所示，快速沉积层150位于缺陷修复层140之上，是由氮源和有机铝源于1200-1500℃下，在缺陷修复层140上沉积得到。在高温下，可以极大增强Al原子的表面迁移能力，使AlN可以维持高速的二维生长，在保证晶体质量的同时，大大提高生长效率。进一步地，在进行高温快速沉积时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为100～300。经过发明人的创造性劳动发现，在该摩尔流量比范围，氮源和有机铝源配比适宜，能够实现AlN的快速生长。在该条件下进行高温快速沉积，沉积速率可以达到2μm/h以上，快速沉积层150的厚度可以生长至1000nm以上，并且依然保持较高的晶体质量。
优选地，整个AlN外延层100的制备过程均在压力为40～100mbar下进行。相对于常压环境来说，AlN在低压下的沉积速率较快，从而可以采用较低的生长温度，减少有机铝分解沉积等副反应的发生，利于获得更高品质的AlN外延层100。
本实施例还提供了一种AlGaN光电器件，其包括上述AlN外延层100。其在上述AlN外延层100的快速沉积层150上以镓源、氮源、铝源共同沉积得到。该AlGaN光电器件的表面平整、没有表面缺陷、且位错密度低。
综上所述，本实用新型实施例提供了一种AlN外延层，其依次包括蓝宝石衬底、N极性隔绝层、成核层、缺陷修复层和快速沉积层。N极性隔绝层在较低温度下沉积得到，较低温度下Al原子的迁移能力较弱，结晶质量差，但可以防止形成“反形畴”(N极性AlN)，从而较好的隔绝N极性，形成单一的Al极性。然后，成核层的沉积温度相比N极性隔绝层略有提高，使得Al原子的表面迁移能力提高，可以提高成核层质量。缺陷修复层在较高温度下沉积得到，其可以在保证应变释放和位错湮灭的情况下降低点缺陷浓度。快速沉积层则是在高温下沉积得到，高温利于保持Al原子的高迁移能力，以实现快速沉积，提高生长效率。该AlN外延层具有表面平整、没有表面缺陷、单一Al极性、低位错密度的特点。
本实用新型的还提供了一种AlGaN光电器件，其包括上述AlN外延层。其在上述AlN外延层的基础上以镓源、氮源、铝源共同沉积得到，有高品质的AlN外延层作为保障，该AlGaN光电器件同样具备表面平整、没有表面缺陷、低位错密度的特点。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。