一种氮化铝模板、深紫外发光二极管外延片及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化铝模板、深紫外发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术：

发光二极管(英文：lightemittingdiode，简称：led)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。深紫外(英文：deepultraviolet，简称：duv)是指发光中心波长短于290nm的led。duvled具有全固态、无汞、寿命长、瞬间开关等优势，在污水处理、医疗设备消毒、食品消毒等领域具有广阔的应用前景。

外延片是发光二极管制备过程中的初级成品。现有的duvled外延片包括衬底、n型半导体层、有源层和p型半导体层，n型半导体层、有源层和p型半导体层依次层叠在衬底上。衬底为外延材料提供生长表面，n型半导体层用于提供进行复合发光的电子，p型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，有源层用于提供进行电子和空穴的辐射复合发光。

n型半导体层、有源层和p型半导体层的材料均采用高铝组分的氮化铝镓。而生长高质量高铝组分的氮化铝镓的最佳衬底材料是氮化铝，目前难以直接获得大面积的氮化铝模板，一般都是先采用磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积15nm～30nm的氮化铝成核层，再采用金属有机化合物气相沉淀(英文：metalorganicchemicalvapordeposition，简称：mocvd)或者氢化物气相外延(英文：hydridevaporphaseepitaxy，简称：hvpe)技术在氮化铝成核层上外延生长氮化铝外延层，形成氮化铝模板。但是采用上述方式获得氮化铝模板的晶体质量有限，造成duvled的发光效率低，制约着duvled应用的普及。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种氮化铝模板、深紫外发光二极管外延片及其制备方法，能够解决现有技术缺乏晶体质量高的氮化铝模板的问题。所述技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种氮化铝模板的制备方法，所述制备方法包括：

提供一平片衬底；

采用磁控溅射技术在所述平片衬底上沉积氮化铝成核层；

采用光刻技术和蚀刻技术对所述氮化铝成核层进行图形化，所述氮化铝成核层变成多个间隔设置在所述平片衬底上的周期结构；

对多个所述周期结构进行1300℃～1600℃的退火处理；

采用物理沉积技术在多个所述周期结构和各个所述周期结构之间的平片衬底上形成用于抑制外延生长的介质；

采用光刻技术和蚀刻技术去除多个所述周期结构上的介质；

采用金属有机化合物化学气相沉淀技术在多个所述周期结构上外延生长氮化铝外延层，所述氮化铝外延层在所述介质上横向聚合，形成二维平面状的氮化铝模板。

可选地，所述对多个所述周期结构进行1300℃～1600℃的退火处理，包括：

在1300℃～1600℃的氮气气氛下，对多个所述周期结构进行30min～300min的退火处理。

可选地，所述蚀刻技术为湿法腐蚀技术或者等离子刻蚀技术。

第二方面，本发明实施例提供了一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：

采用如第一方面提供的制备方法形成氮化铝模板；

在所述氮化铝模板上依次外延生长n型半导体层、有源层和p型半导体层。

第三方面，本发明实施例提供了一种氮化铝模板，所述氮化铝模板包括平片衬底、氮化铝成核层、氮化铝外延层和用于抑制外延生长的介质，所述氮化铝成核层包括多个间隔设置在所述平片衬底上的周期结构，所述介质设置在各个所述周期结构之间的平片衬底上，所述氮化铝外延层设置在多个所述周期结构上并在所述介质上横向聚合。

可选地，所述周期结构的形状为圆柱、圆台和圆锥中的一种，相邻两个所述周期结构之间的距离相等。

可选地，所述氮化铝成核层的厚度为200nm～800nm。

优选地，相邻两个所述周期结构之间的距离为200～800nm。

优选地，所述介质的厚度小于或等于所述氮化铝成核层的厚度。

第四方面，本发明实施例提供了一种深紫外发光二极管外延片，所述深紫外发光二极管外延片包括如第三方面提供的氮化铝模板、n型半导体层、有源层和p型半导体层，所述n型半导体层、所述有源层和所述p型半导体层依次层叠在所述氮化铝模板上。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将氮化铝成核层变成多个间隔设置的周期结构，从而大大减小单个氮化铝结构的体积，有利于降低退火处理的温度和时间，有效抑制氮化铝在退火处理中分解，同时利用退火处理提高氮化铝成核层的晶体质量，进而提高后续生长的氮化镓外延层的晶体质量，最终提高形成的氮化铝模板的晶体质量。而且各个周期结构之间设置有抑制外延生长的介质，氮化镓外延层只能以各个周期结构为成核点进行横向生长，相邻两个周期结构上的氮化镓外延层相互聚合，聚合过程中可以释放晶格失配的应力，使得晶格失配产生的缺陷相互抵消和湮灭，降低氮化铝模板中内的缺陷密度，避免裂纹产生，提供高质量的氮化铝模板，提高duvled的发光效率，有利于duvled应用的普及。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明实施例提供的一种氮化铝模板的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤101之后得到的氮化铝模板的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤102之后得到的氮化铝模板的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤103之后得到的氮化铝模板的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤103之后得到的氮化铝模板的主视图；

图6是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤103之后得到的氮化铝模板的俯视图；

图7是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤105之后得到的氮化铝模板的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤106之后得到的氮化铝模板的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的制备方法在执行步骤107之后得到的氮化铝模板的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种氮化铝模板的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种深紫外发光二极管外延片的制备方法的流程图；

图12是本发明实施例提供的一种深紫外发光二极管外延片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种氮化铝模板的制备方法。图1为本发明实施例提供的一种氮化铝模板的制备方法的流程图。参见图1，该制备方法包括：

步骤101：提供一平片衬底。

图2为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤101之后得到的氮化铝模板的结构示意图。其中，10表示平片衬底。参见图1，平片衬底10的表面为二维平面。

具体地，平片衬底的材料可以采用蓝宝石，也可以采用其它材料，如硅。

步骤102：采用磁控溅射技术在平片衬底上沉积氮化铝成核层。

图3为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤102之后得到的氮化铝模板的结构示意图。其中，21表示氮化铝成核层。参见图3，氮化铝成核层21平铺在平片衬底10上。

可选地，该步骤102可以包括：

在氮气和氩气的气氛下，以金属铝为靶材，采用脉冲直流磁控溅射技术形成氮化铝成核层。

在上述实现过程中，氩气形成的等离子体溅射轰击金属铝靶材；同时氮气为反应气体，与溅射产生的铝原子发生反应，生成氮化铝。整个过程实现方便，形成的氮化铝成核层晶体质量较好。

可选地，氮化铝成核层的厚度可以为200nm～800nm。如果氮化铝成核层的厚度小于200nm，则可能由于氮化铝成核层较薄而影响后续氮化铝外延层获得较高的晶体质量；如果氮化铝成核层的厚度大于800nm，则可能由于氮化铝成核层较厚而导致退火处理所需的温度较高，进而造成氮化铝分解，还会造成材料的浪费，增加生产时间，提高生产成本。

步骤103：采用光刻技术和蚀刻技术对氮化铝成核层进行图形化，氮化铝成核层变成多个间隔设置在平片衬底上的周期结构。

图4为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤103之后得到的氮化铝模板的结构示意图。参见图4，氮化铝成核层21变成多个间隔设置在平片衬底10上的周期结构。

具体地，该步骤103可以包括：

在氮化铝成核层上铺设一层光刻胶；

透过设定图形的掩膜版对光刻胶进行曝光；

使用显影液对曝光后的光刻胶进行显影，形成设定图形的光刻胶；

在光刻胶的保护下蚀刻氮化铝成核层，氮化铝成核层变成多个间隔设置在平片衬底上的周期结构；

去除光刻胶。

可选地，蚀刻技术可以为湿法腐蚀技术或者等离子刻蚀技术中的一种。可以采用多种方式实现。

图5为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤103之后得到的氮化铝模板的主视图，图6为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤103之后得到的氮化铝模板的俯视图。可选地，周期结构的形状可以为圆柱(如图5所示)、圆台和圆锥(如图4所示)中的一种，相邻两个周期结构之间的距离d可以相等(如图6所示)，使周期结构均匀分布在平片衬底上，有利于后续氮化铝外延层的生长。

可选地，相邻两个周期结构之间的距离可以为200nm～800nm，弥补铝原子迁移困难的影响，易于实现各个周期结构上氮化铝外延层的聚合。如果相邻两个周期结构之间的距离小于200nm，则可能由于周期结构的间距较小而不利于氮化铝的横向生长，晶体质量提高作用有限；如果相邻两个周期结构之间的距离大于800nm，则可能由于周期结构的间距较大而影响后续氮化铝外延层的横向聚合。

步骤104：对多个周期结构进行1300℃～1600℃的退火处理。

可选地，该步骤104可以包括：

在1300℃～1600℃的氮气气氛下，对多个周期结构进行30min～300min的退火处理。

在上述高温退火的过程中，氮化铝成核层内的晶粒相互合并，可以降低氮化铝内的缺陷数量，实现晶体质量的提高。

步骤105：采用物理沉积技术在多个周期结构和各个周期结构之间的平片衬底上形成用于抑制外延生长的介质。

图7为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤105之后得到的氮化铝模板的结构示意图。其中，22表示介质。参见图7，介质22设置在氮化铝成核层21、以及氮化铝成核层21之间的平片衬底10上。

可选地，介质的材料可以采用二氧化硅，也可以采用氮化硅，实现成本低，而且可以对duvled中的光线进行散射，提高duvled的出光效率。

可选地，介质的厚度可以小于或等于氮化铝成核层的厚度，以利于后续氮化铝外延层的横向聚合。

优选地，介质的厚度可以为20nm～200nm。如果介质的厚度小于20nm，则可能由于介质较薄而无法有效抑制后续氮化铝外延层的外延生长，从而无法利用氮化铝外延层在相邻两个周期结构之间的横向聚合降低氮化铝模板中的缺陷密度；如果介质的厚度大于200nm，则可能由于介质较厚而影响到后续氮化铝外延层的横向聚合，还会造成材料的浪费。

步骤106：采用光刻技术和蚀刻技术去除多个周期结构上的介质。

图8为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤106之后得到的氮化铝模板的结构示意图。参见图8，氮化铝成核层21上的介质22已被去除，只留下平片衬底10上的介质22。

具体地，该步骤106可以包括：

在介质上铺设一层光刻胶；

透过设定图形的掩膜版对光刻胶进行曝光；

使用显影液对曝光后的光刻胶进行显影，形成设定图形的光刻胶；

在光刻胶的保护下蚀刻介质，去除氮化铝成核层上的介质，留下平片衬底上的介质；

去除光刻胶。

可选地，蚀刻技术可以为湿法腐蚀技术或者等离子刻蚀技术。

步骤107：采用金属有机化合物化学气相沉淀技术在多个周期结构上外延生长氮化铝外延层，氮化铝外延层在介质上横向聚合，形成二维平面状的氮化铝模板。

图9为本发明实施例提供的制备方法在执行步骤107之后得到的氮化铝模板的结构示意图。其中，23表示氮化铝外延层。参见图9，氮化铝外延层23设置在氮化铝成核层21上，并在介质22上横向聚合。

可选地，该步骤107可以包括：

在1100℃～1400℃的温度下，在多个周期结构上外延生长氮化铝外延层，氮化铝外延层在介质上横向聚合。

通过高温生长，提高氮化铝外延层的晶体质量，进而提高氮化铝模板的晶体质量。

可选地，氮化铝外延层的厚度可以为1μm～5μm。如果氮化铝外延层的厚度小于1μm，则可能由于氮化铝外延层较薄而无法在介质上实现横向聚合；如果氮化铝外延层的厚度大于5μm，则可能由于氮化铝外延层较厚而造成材料的浪费。

本发明实施例通过将氮化铝成核层变成多个间隔设置的周期结构，从而大大减小单个氮化铝结构的体积，有利于降低退火处理的温度和时间，有效抑制氮化铝在退火处理中分解，同时利用退火处理提高氮化铝成核层的晶体质量，进而提高后续生长的氮化镓外延层的晶体质量，最终提高形成的氮化铝模板的晶体质量。而且各个周期结构之间设置有抑制外延生长的介质，氮化镓外延层只能以各个周期结构为成核点进行横向生长，相邻两个周期结构上的氮化镓外延层相互聚合，聚合过程中可以释放晶格失配的应力，使得晶格失配产生的缺陷相互抵消和湮灭，降低氮化铝模板中内的缺陷密度，避免裂纹产生，提供高质量的氮化铝模板，提高duvled的发光效率，有利于duvled应用的普及。

本发明实施例提供了一种氮化铝模板，可以为采用图1所示的制备方法制备而成的氮化铝模板。图10为本发明实施例提供的一种氮化铝模板的结构示意图。参见图10，该氮化铝模板包括平片衬底10、氮化铝成核层21、氮化铝外延层23和用于抑制外延生长的介质22，氮化铝成核层21包括多个间隔设置在平片衬底10上的周期结构，介质22设置在各个周期结构之间的平片衬底10上，氮化铝外延层23设置在多个周期结构上并在介质22上横向聚合。

可选地，氮化铝成核层21的厚度可以为200nm～800nm。

可选地，周期结构的形状可以为圆柱、圆台和圆锥中的一种，相邻两个周期结构之间的距离相等。

可选地，相邻两个周期结构之间的距离可以与氮化铝成核层的厚度相等。

优选地，相邻两个周期结构之间的距离可以为200nm～800nm。

可选地，介质22的材料可以采用二氧化硅。

可选地，介质22的厚度小于或等于氮化铝成核层21的厚度。

优选地，介质22的厚度可以为20nm～200nm。

可选地，氮化铝外延层23的厚度可以为1μm～5μm。

本发明实施例提供了一种深紫外发光二极管外延片的制备方法。图11为本发明实施例提供的一种深紫外发光二极管外延片的制备方法的流程图。参见图11，该制备方法包括：

步骤201：提供一平片衬底。

具体地，该步骤201可以与步骤101相同，在此不再详述。

步骤202：采用磁控溅射技术在平片衬底上沉积氮化铝成核层。

具体地，该步骤202可以与步骤102相同，在此不再详述。

步骤203：采用光刻技术和蚀刻技术对氮化铝成核层进行图形化，氮化铝成核层变成多个间隔设置在平片衬底上的周期结构。

具体地，该步骤203可以与步骤103相同，在此不再详述。

步骤204：对多个周期结构进行1300℃～1600℃的退火处理。

具体地，该步骤204可以与步骤104相同，在此不再详述。

步骤205：采用物理沉积技术在多个周期结构和各个周期结构之间的平片衬底上形成用于抑制外延生长的介质。

具体地，该步骤205可以与步骤105相同，在此不再详述。

步骤206：采用光刻技术和蚀刻技术去除多个周期结构上的介质。

具体地，该步骤206可以与步骤106相同，在此不再详述。

步骤207：采用金属有机化合物化学气相沉淀技术在多个周期结构上外延生长氮化铝外延层，氮化铝外延层在介质上横向聚合，形成二维平面状的氮化铝模板。

具体地，该步骤207可以与步骤107相同，在此不再详述。

步骤208：在氮化铝模板上依次外延生长n型半导体层、有源层和p型半导体层。

具体地，n型半导体层的材料可以采用n型掺杂的氮化铝镓。有源层可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置；量子阱和量子垒的材料均可以采用未掺杂的氮化铝镓，量子阱中铝组分的含量与量子垒中铝组分的含量不同。p型半导体层的材料可以采用p型掺杂的氮化铝镓。

进一步地，n型半导体层的厚度可以为2μm～3μm；n型半导体层中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为5*10¹⁸/cm³～5*10¹⁹/cm³。量子阱的厚度可以为2nm～5nm，量子垒的厚度可以为5nm～15nm。p型半导体层的厚度可以为100nm～500nm，p型半导体层中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为1*10¹⁹/cm³～1*10²⁰/cm³。

具体地，该步骤208可以包括：

第一步，控制温度为1200℃～1350℃，在氮化铝外延层上生长n型半导体层；

第二步，控制温度为1100℃～1200℃，在n型半导体层上生长有源层；

第三步，控制温度为1000℃～1100℃，在有源层上生长p型半导体层。

可选地，在第一步之前，该制备方法还可以包括：

在氮化铝外延层上生长未掺杂氮化铝镓层。

通过设置未掺杂氮化铝镓层，缓解晶格失配产生的应力。

相应地，n型半导体层生长在氮化铝镓外延层上。

进一步地，未掺杂氮化铝镓层的厚度可以为0.5μm～1μm。

具体地，在氮化铝外延层上生长未掺杂氮化铝镓层，可以包括：

控制温度为1200℃～1350℃，在氮化铝外延层上生长未掺杂氮化铝镓层。

可选地，在第三步之前，该制备方法还可以包括：

在有源层上生长电子阻挡层。

通过设置电子阻挡层，避免电子跃迁到p型半导体层中与空穴进行非辐射复合，影响duvled的发光效率。

相应地，p型半导体层生长在电子阻挡层上。

具体地，电子阻挡层的材料可以采用p型掺杂的氮化铝镓。

进一步地，电子阻挡层的厚度可以为30nm～50nm。

具体地，在有源层上生长电子阻挡层，可以包括：

控制温度为1100℃～1200℃，在有源层上生长电子阻挡层。

可选地，在第三步之后，该制备方法还可以包括：

在p型半导体层上生长接触层。

通过设置接触层，以便与电子或者透明导电薄膜之间形成良好的欧姆接触。

具体地，接触层的材料可以采用p型掺杂的氮化镓。

进一步地，接触层的厚度可以为30nm～50nm。

具体地，在p型半导体层上生长接触层，可以包括：

控制温度为1000℃～1100℃，在p型半导体层上生长接触层。

本发明实施例提供了一种深紫外发光二极管外延片，可以为采用图11所示的制备方法制备而成的深紫外发光二极管外延片。图12为本发明实施例提供的一种深紫外发光二极管外延片的结构示意图。参见图12，该深紫外发光二极管外延片包括氮化铝模板20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50，n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50依次层叠在氮化铝模板上。

在本实施例中，氮化铝模板20可以采用图1所示的氮化铝模板，在此不再详述。

具体地，n型半导体层30的材料可以采用n型掺杂的氮化铝镓。有源层40可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置；量子阱和量子垒的材料均可以采用未掺杂的氮化铝镓，量子阱中铝组分的含量与量子垒中铝组分的含量不同。例如，量子阱由铝组分为63％的为氮化铝镓构成，量子垒由铝组分为75％的氮化铝镓构成。p型半导体层50的材料可以采用p型掺杂的氮化铝镓。

进一步地，n型半导体层30的厚度可以为2μm～3μm；n型半导体层30中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为5*10¹⁸/cm³～5*10¹⁹/cm³。量子阱的厚度可以为2nm～5nm，量子垒的厚度可以为5nm～15nm。p型半导体层的厚度可以为100nm～500nm，p型半导体层50中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为1*10¹⁹/cm³～1*10²⁰/cm³。

可选地，该深紫外发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化铝镓层60，未掺杂氮化铝镓层60设置在氮化铝模板20和n型半导体层30，以缓解晶格失配产生的应力。

进一步地，未掺杂氮化铝镓层的厚度可以为0.5μm～1μm。

可选地，该深紫外发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层70，电子阻挡层70设置在有源层40和p型半导体层50之间，避免电子跃迁到p型半导体层中与空穴进行非辐射复合，影响duvled的发光效率。

具体地，电子阻挡层的材料可以采用p型掺杂的氮化铝镓。

进一步地，电子阻挡层的厚度可以为30nm～50nm。

可选地，该深紫外发光二极管外延片还可以包括接触层80，接触层80设置在p型半导体层50上，以便与电子或者透明导电薄膜之间形成良好的欧姆接触。

具体地，接触层的材料可以采用p型掺杂的氮化镓。

进一步地，接触层的厚度可以为30nm～50nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。