AlN模板及氮化镓基发光二极管外延片的制备方法与流程

本发明涉及gan基发光二极管领域，特别涉及一种aln模板及氮化镓基发光二极管外延片的制备方法。

背景技术：

目前氮化镓基led(lightemittingdiode，发光二极管)受到越来越多的关注和研究，其一般包括外延片和在外延片上制备的电极。外延片通常包括：aln模板(包括衬底及在衬底上覆盖的aln薄膜)和顺次沉积在aln模板上的未掺杂的gan层、n型层、mqw(multiplequantumwell，多量子阱)层、电子阻挡层、以及p型层。当有电流通过时，n型层等n型区的电子和p型层等p型区的空穴进入mqw有源区并且复合，发出我们需要波段的可见光。其中，一般是通过pvd(physicalvapordeposition，物理气相沉积)方法在衬底上溅射aln薄膜，得到aln模板。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：通过pvd方法溅射的aln薄膜，往往有利于aln(100)晶面择优生长，由于aln(100)晶面不利于后续gan外延层(包括未掺杂的gan层、n型层、mqw层、电子阻挡层、以及p型层)的生长，因此严重影响了gan外延层的晶体质量。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种aln模板及氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，能够提高aln薄膜上生长的gan外延层的晶体质量。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种aln模板的制备方法，所述方法包括：

提供衬底，并将所述衬底放置于物理气相沉积设备的工艺腔室中；

对所述衬底进行加热，并向所述工艺腔室通入反应气体，所述反应气体包括ar和n2；

当所述工艺腔室的压力达到第一压力且所述衬底的温度达到沉积温度时，连通al靶材和脉冲电源并保持所述衬底的温度为所述沉积温度不变，以开始在所述衬底上沉积aln薄膜；

在沉积时间内将所述工艺腔室的压力从所述第一压力逐渐调节至第二压力，在所述沉积时间后停止对所述衬底进行加热、停止通入所述反应气体、且断开所述al靶材和所述脉冲电源，以结束所述aln薄膜的沉积，所述第一压力大于所述第二压力。

可选地，所述反应气体还包括o2，

在所述沉积时间内，ar与n2的流量比为1：2～1：10，o2的流量为ar与n2流量之和的0.5％～10％。

可选地，所述在沉积时间内将所述工艺腔室的压力从所述第一压力逐渐调节至第二压力，包括：

在所述沉积时间内逐渐增加o2的流量、且逐渐减少ar和/或n2的流量。

可选地，所述对所述衬底进行加热，并向所述工艺腔室通入反应气体，包括：

将所述工艺腔室抽真空，并对所述衬底进行加热；

当所述工艺腔室的本地真空度小于或等于1*10^-7torr、且所述衬底的温度为350～750℃时，在烘烤时间内保持所述衬底的加热温度不变，所述烘烤时间为2～12min；

在所述烘烤时间后，向所述工艺腔室通入所述反应气体并继续对衬底进行加热。

可选地，所述连通al靶材和脉冲电源，包括：

在稳定时间内保持所述工艺腔室的压力为所述第一压力和所述衬底的温度为所述沉积温度分别不变，在所述稳定时间后连通al靶材和脉冲电源，所述稳定时间为10～60s。

可选地，所述第一压力为10～12mtorr，所述第二压力为1～3mtorr。

可选地，在所述沉积时间内沉积的所述aln薄膜的厚度为10～70nm。

可选地，所述沉积温度为500～750℃。

可选地，所述脉冲电源的频率为200～300khz，所述脉冲电源的占空比为20％～70％。

第二方面，提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：

制备aln模板，所述aln模板包括衬底和在所述衬底上沉积的aln薄膜，所述aln模板由前述aln模板的制备方法制备得到；

在所述aln薄膜上顺次沉积三维成核层、二维缓冲恢复层、非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、低温p型层、电子阻挡层、高温p型gan层、以及p型接触层。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在采用pvd方法沉积aln薄膜过程中，通过在沉积时间内将工艺腔室的压力从第一压力逐渐调节至第二压力，第一压力大于第二压力，这样，逐渐减小工艺腔室的压力，能够使al、n粒子的平均自由程变大，沉积粒子的能量变高，有利于aln(002)晶面择优生长，aln(002)晶面将有利于后续gan外延层的生长，提高gan外延层的晶体质量。

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和图2是本发明实施例提供的一种aln模板的制备方法的流程图；

图3和图4是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法的流程图。

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。

图1示出了本发明实施例提供的一种aln模板的制备方法，参见图1，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底，并将衬底放置于pvd设备的工艺腔室中。

示例性地，衬底可以是蓝宝石衬底。

步骤102、对衬底进行加热，并向工艺腔室通入反应气体。

其中，反应气体包括ar和n2。

步骤103、检测工艺腔室的压力。

在开始对衬底进行加热，并开始向工艺腔室通入反应气体时，同步检测工艺腔室的压力。当工艺腔室的压力达到第一压力且衬底的温度达到沉积温度时，执行步骤104。示例性地，第一压力为10～12mtorr，沉积温度为500～750℃。

步骤104、连通al靶材和脉冲电源并保持衬底的温度为沉积温度不变，以开始在衬底上沉积aln薄膜。

步骤105、在沉积时间内将工艺腔室的压力从第一压力逐渐调节至第二压力，在沉积时间后停止对衬底进行加热、停止通入反应气体、且断开al靶材和脉冲电源，以结束aln薄膜的沉积。

其中，在沉积时间内沉积的aln薄膜的厚度52为10～70nm。

其中，第一压力大于第二压力。示例性地，第二压力为1～3mtorr。

在传统的采用pvd方法溅射沉积aln薄膜的过程中，初始时薄膜的沉积速率较快，随着溅射的进行，由于靶材表面会不同程度的形成氮化铝等物质，使沉积速率变慢，导致反应气体不能完全地被溅射原子al吸收，过量残余的反应气体将撞击靶材，进一步的在靶材表面形成化合物，使靶材表面的氮化铝物质越来越多，使靶原子出现不均匀的溅射，导致靶材表面形成aln薄膜区域的沉积速率会下降，工艺腔室内的气体体积增大，导致工艺腔室的压力升高，当工艺腔室的压力升高时，al、n粒子的平均自由程变小，al、n粒子碰撞机会增多，沉积粒子的能量变低，有利于aln(100)晶面择优生长，会加大与后续外延层的晶格失配度，不利于后续gan外延层的生长。本发明实施例在采用pvd方法沉积aln薄膜过程中，通过在沉积时间内将工艺腔室的压力从第一压力逐渐调节至第二压力，第一压力大于第二压力，这样，逐渐减小工艺腔室的压力，能够使al、n粒子的平均自由程变大，沉积粒子的能量变高，有利于aln(002)晶面择优生长，aln(002)晶面将有利于后续gan外延层的生长，提高gan外延层的晶体质量。

图2示出了本发明实施例提供的一种aln模板的制备方法，参见图2，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供衬底，并将衬底放置于pvd设备的工艺腔室中。

示例性地，衬底可以是(0001)晶向蓝宝石衬底(成分为al2o3)。具体地，将蓝宝石衬底放置于sic材质的托盘，将托盘放入pvd设备的溅射机台，并传送至pvd设备中沉积aln薄膜的工艺腔室。在工艺腔室中，放置有al靶材，al靶材与衬底相对设置，并且，al靶材与衬底之间的距离可以为40～90mm。

步骤202、将工艺腔室抽真空，并对衬底进行加热。

将衬底放入后，对沉积aln工艺腔室进行抽真空，抽真空的同时开始对衬底进行加热升温。

步骤203、检测工艺腔室的本地真空度和衬底的温度。

当工艺腔室的本地真空度小于或等于1*10^-7torr、且衬底的温度为350～750℃时，执行步骤204。当工艺腔室的本地真空度大于1*10^-7torr、且衬底的温度小于350～750℃时，执行步骤202。

步骤204、在烘烤时间内保持衬底的加热温度不变。

其中，烘烤时间为2～12min，min表示分钟。具体地，在抽至本底真空度低于1*10^-7torr时，将衬底的加热温度稳定在350～750℃，对衬底进行烘烤，烘烤时间为2～12分钟。

通过步骤202-204实现了，对衬底进行加热。

步骤205、在烘烤时间后，向工艺腔室通入反应气体并继续对衬底进行加热。

其中，反应气体包括ar和n2。

示例性地，除了ar和n2之外，反应气体还包括o2。

示例性地，通入的反应气体中，ar与n2的流量比为1：2～1：10，o2的流量为ar与n2流量之和的0.5％～10％。

基于ar与n2的流量比为1：2～1：10且o2的流量为ar与n2流量之和的0.5％～10％，ar和n2的流量均为20～300sccm，o2的流量为0.5～4.5sccm。

步骤206、检测工艺腔室的压力和衬底的温度。

在执行步骤205中开始向工艺腔室通入反应气体并开始继续对衬底进行加热时，同步检测工艺腔室的压力和衬底的温度。当工艺腔室的压力达到第一压力且衬底的温度达到沉积温度时，执行步骤207。当工艺腔室的压力未达到第一压力时，继续向工艺腔室通入反应气体；当衬底的温度未达到沉积温度时，继续对衬底进行加热。

示例性地，第一压力为10～12mtorr，沉积温度为500～750℃。

步骤207、在稳定时间内保持工艺腔室的压力为第一压力和衬底的温度为沉积温度分别不变。

其中，稳定时间为10～60s，s表示秒。

步骤208、在稳定时间后，连通al靶材和脉冲电源并保持衬底的温度为沉积温度不变，以开始在衬底上沉积aln薄膜。

示例性地，脉冲电源的频率为200～300khz，脉冲电源的占空比为20％～70％。脉冲电源在al靶材上产生的电场功率为1～6kw。

相比于包括ar与n2的反应气体，包括o2、ar与n2的反应气体，能够使得aln薄膜中掺氧，而aln薄膜中掺氧有利于释放aln薄膜层的压应力，当aln薄膜上生长gan外延层时，能够提高gan外延层的晶体质量。

步骤209、在沉积时间内将工艺腔室的压力从第一压力逐渐调节至第二压力。

其中，沉积时间可以根据aln薄膜的不同厚度要求来设定。在本实施例中，在沉积时间内沉积的aln薄膜的厚度为10～70nm。

其中，第一压力大于第二压力。示例性地，第二压力为1～3mtorr。

示例性地，步骤209包括：在沉积时间内逐渐增加o2的流量、且逐渐减少ar和/或n2的流量。其中，在沉积时间内，ar与n2的流量比为1：2～1：10，o2的流量为ar与n2流量之和的0.5％～10％。基于ar与n2的流量比为1：2～1：10且o2的流量为ar与n2流量之和的0.5％～10％，ar和n2的流量均为20～300sccm，o2的流量为0.5～4.5sccm。

由于aln与蓝宝石衬底之间的晶格不匹配，因此，随着aln薄膜厚度越厚，积累的应力越大，在纯aln薄膜上生长gan外延层后，整个外延片的翘曲较为严重；通过在沉积时间内逐渐增加o2的流量，沉积的aln薄膜中的氧含量，从衬底与aln薄膜的界面开始到aln薄膜的表面逐渐增多，即随着aln薄膜厚度的增加aln薄膜中掺杂的氧含量也逐渐增加，aln薄膜中掺氧有利于释放aln薄膜层的压应力，并且，随着aln薄膜中的氧含量逐渐递增，有利于更好地释放aln膜层积累的应力，从而改善aln薄膜的翘曲，有利于后续外延片的翘曲控制。

在传统的采用pvd方法溅射沉积aln薄膜的过程中，初始时薄膜的沉积速率较快，随着溅射的进行，由于靶材表面会不同程度的形成氮化铝和氧化铝物质，使沉积速率变慢，导致反应气体(n2、o2)不能完全地被溅射原子al吸收，过量残余的反应气体将撞击靶材，进一步的在靶材表面形成化合物，使靶材表面的氮化铝和氧化铝物质越来越多，使靶原子出现不均匀的溅射，导致靶材表面形成aln薄膜区域的沉积速率会下降，工艺腔室内的气体体积增大，导致工艺腔室的压力升高，当工艺腔室的压力升高时，al、n粒子的平均自由程变小，al、n粒子碰撞机会增多，沉积粒子的能量变低，有利于aln(100)晶面择优生长，会加大与后续外延层的晶格失配度，不利于后续gan外延层的生长。通过逐渐减小pvd方法在沉积aln薄膜过程中工艺腔室的压力，使al、n粒子的平均自由程变大，沉积粒子的能量变高，有利于aln(002)晶面择优生长，aln(002)晶面将有利于后续gan外延层的生长。

步骤210、在沉积时间后停止对衬底进行加热、停止通入反应气体、且断开al靶材和脉冲电源，以结束aln薄膜的沉积。

图3示出了本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，参见图3，该方法流程包括如下步骤。

步骤301、制备aln模板。

其中，aln模板包括衬底和在衬底上沉积的aln薄膜。在本实施例中，aln模板由图1或图2示出的aln模板的制备方法制备得到。

示例性地，衬底可以是pss(patternedsapphiresubstrate，图形化蓝宝石衬底)。需要说明的是，aln薄膜覆盖在pss的图形面上。

步骤302、在aln薄膜上顺次沉积三维成核层、二维缓冲恢复层、非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、低温p型层、电子阻挡层、高温p型gan层、以及p型接触层。

本发明实施例在采用pvd方法沉积aln薄膜过程中，通过逐渐减小工艺腔室的压力，使al、n粒子的平均自由程变大，沉积粒子的能量变高，有利于aln(002)晶面择优生长，aln(002)晶面将有利于后续gan外延层的生长，提高gan外延层的晶体质量。

图4示出了本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法。参见图4，该方法流程包括如下步骤。

步骤401、制备aln模板。

其中，步骤401可以包括如下步骤4011-步骤4020。

步骤4011、提供衬底，并将衬底放置于pvd设备的工艺腔室中。

步骤4012、将工艺腔室抽真空，并对衬底进行加热。

步骤4013、检测工艺腔室的本地真空度和衬底的温度。

当工艺腔室的本地真空度小于或等于1*10^-7torr、且衬底的温度为350～750℃时，执行步骤4014。

步骤4014、在烘烤时间内保持衬底的加热温度不变。

步骤4015、在烘烤时间后，向工艺腔室通入反应气体并继续对衬底进行加热。

步骤4016、检测工艺腔室的压力和衬底的温度。

当工艺腔室的压力达到第一压力且衬底的温度达到沉积温度时，执行步骤4017。

步骤4017、在稳定时间内保持工艺腔室的压力为第一压力和衬底的温度为沉积温度分别不变。

步骤4018、在稳定时间后，连通al靶材和脉冲电源并保持衬底的温度为沉积温度不变，以开始在衬底上沉积aln薄膜。

步骤4019、在沉积时间内将工艺腔室的压力从第一压力逐渐调节至第二压力。

步骤4020、在沉积时间后停止对衬底进行加热、停止通入反应气体、且断开al靶材和脉冲电源，以结束aln薄膜的沉积。

步骤4011-步骤4020分别同图2示出的实施例中步骤201-步骤210，在此不再赘述。

步骤402、将aln模板放置于mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备的反应腔中。

步骤403、对aln模板进行退火处理。

具体地，将aln模板放置到mocvd设备的反应腔中的衬底托盘上，并对衬底托盘进行加热和驱动衬底托盘转动。示例性地，衬底托盘可以是石墨托盘。衬底托盘转动时，衬底将随衬底托盘转动。

其中，退火温度在1000℃～1200℃，压力区间为200torr～500torr，时间在5分钟～10分钟。

在退火处理后通过mocvd方法生长其他外延层。在mocvd方法中，可以采用高纯氮气或者氢气作为载气，氨气作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂剂选用硅烷，p型掺杂剂选用二茂镁。

需要说明的是，下述生长过程中控制的温度和压力实际上是指mocvd设备的反应腔内的温度和压力。

三维成核层、二维缓冲恢复层、非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、低温p型层、电子阻挡层、高温p型gan层、以及p型接触层

步骤404、在aln模板的aln薄膜上沉积三维成核层。

其中，三维成核层为gan层。示例性地，退火完成后将反应腔的温度调节至1000℃与1080℃之间进行三维(3d)成核层的生长，生长时间在10～30分钟，厚度为400～600nm，生长压力在250～550torr。

步骤405、在三维成核层上沉积二维缓冲恢复层。

其中，二维缓冲恢复层用于继续填平pss上的图形，二维缓冲恢复层为gan层。示例性地，三维成核层生长之后，将反应腔的温度继续升至1050～1150℃，提高生长速率，进行二维缓冲恢复层的生长，生长时间为20～40分钟，生长厚度为500～800nm，压力为100～500torr。

步骤406、在二维缓冲恢复层上沉积非掺杂gan层。

示例性地，非掺杂gan层的生长温度为1050℃～1200℃，生长厚度在1至2微米，生长压力在100torr至500torr。

步骤407、在非掺杂gan层上沉积n型gan层。

示例性地，n型gan层的厚度在1～3微米，生长温度在1050℃～1200℃，生长压力在100torr至500torr之间，si掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3之间。

步骤408、在n型gan层上沉积pre-mqw层(前级多量子阱层)。

其中，pre-mqw层为5到10个周期的inaga1-an(0<a<0.6)阱和gan垒交替生长的超晶格结构，阱的厚度在1-2nm，生长温度的范围在760℃-840℃间，压力范围在100torr与300torr之间：垒的厚度在8nm至15nm间，生长温度在820℃-920℃，生长压力在100torr到300torr之间。

步骤409、在pre-mqw层上沉积mqw层。

其中，mqw层为6到12个周期的inbga1-bn(0<b<1)量子阱和gan量子垒交替生长的超晶格结构，量子阱的厚度在3-4nm，生长温度的范围在750℃-830℃间，压力范围在100torr与500torr之间：量子垒的厚度在9nm至20nm间，生长温度在850℃-900℃，生长压力在100torr到500torr之间。

示例性地，inbga1-bn量子阱中的in组分大于pre-mqw层中inaga1-an阱中的in组分，a<b。

步骤410、在mqw层上沉积低温p型层。

示例性地，低温p型层的生长温度在750℃～850℃，厚度在10nm～50nm，生长压力在100torr到500torr，且低温p型层中掺杂mg，mg的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

步骤411、在低温p型层上沉积电子阻挡层。

示例性地，电子阻挡层为p型alcga1-cn(0.1<c<0.5)电子阻挡层，生长温度在900℃与1000℃，生长压力为100torr与500torr，生长厚度在10nm至100nm。

步骤412、在电子阻挡层上沉积高温p型gan层。

示例性地，高温p型gan层的生长温度为850℃～950℃，生长压力为100torr～300torr，高温p型gan层的厚度可以为50nm～300nm。高温p型层中掺杂mg，mg的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

步骤413、在高温p型gan层上沉积p型接触层。

示例性地，p型接触层为gan或者ingan层，其厚度为5nm至100nm之间，生长温度区间为850℃～1000℃，生长压力区间为100torr～300torr。

示例性地，p型接触层生长结束后，将mocvd设备的反应腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃～850℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

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。