基于氮化物单晶衬底的同质外延结构及其均匀性调控方法与流程

1.本技术涉及一种半导体发光结构，具体涉及一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构及其均匀性调控方法，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.gan基器件的生长大多基于蓝宝石、硅等异质衬底，需要从衬底通过生长过渡层来消除失配，从而获得gan外延层。同时，其过渡层也是调整外延片的凹凸性，进而达到调节外延片生长均匀性的重要手段。比如在蓝光led的外延生长中，在生长有源区量子阱时，in组分决定了发光波长，而in的融入与温度相关，如果外延片不平温度就会不均匀，造成in的分布不均，进而降低了波长的均匀性。此时，通常可以通过调整过渡层来实现调节翘曲，使得在量子阱生长过程中外延片尽可能的平，从而保证波长均匀性。
3.而基于gan单晶衬底的同质外延生长，由于衬底已经是gan材料层，不需要任何过渡层，所以在后期的生长中无法通过过渡层来调整翘曲值。而随着不同掺杂浓度的外延层材料以及gan单晶衬底本身在高温下翘曲变化，都会影响到生长时外延片所受的温度，进而影响到外延片的均匀性。但是，目前的常规生长方法没有任何技术和办法对此进行调控。


技术实现要素：

4.本技术的主要目的在于提供一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构及其均匀性调控方法，以克服现有技术中的不足。
5.为实现前述发明目的，本技术采用的技术方案包括：
6.本技术的一个方面提供了一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构的均匀性调控方法，其包括：
7.提供氮化物单晶衬底，所述衬底包括第二iii族元素；
8.在所述衬底上生长界面弛豫层，所述界面弛豫层包括二元氮化物层，所述二元氮化物层包括第一iii族元素，所述第一iii族元素与所述第二iii族元素不同，以产生压应力或张应力，从而平衡所述衬底的翘曲；
9.在所述界面弛豫层上生长翘曲调控层，所述翘曲调控层表面平整，所述翘曲调控层包括三元氮化物层或包含三元氮化物层的超晶格结构，所述三元氮化物层包括第一iii族元素和第二iii族元素。
10.本技术的一个方面提供了一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构，其特征在于，包括：
11.氮化物单晶衬底，
12.界面弛豫层，其生长在所述衬底上，所述界面弛豫层包括二元氮化层，所述二元氮化层的组成材料与所述衬底的组成材料晶格失配，以产生压应力或张应力，从而平衡所述衬底的翘曲；
13.翘曲调控层，其生长在所述界面弛豫层上，所述翘曲调控层表面平整，所述翘曲调
控层包括三元氮化物层或包含三元氮化物层的超晶格结构。
14.本技术的另又一个方面提供了所述基于氮化物单晶衬底的同质外延结构在制备uv-led器件或gan基器件中的用途。
15.相较于现有技术，本技术通过在氮化物单晶衬底上先进行界面弛豫层和翘曲调控层的可控生长(具体通过界面弛豫层和翘曲调控层的组分和厚度进行调整)，从而实现同质外延结构的高均匀性生长；同时制备的同质外延结构更加平整，在光电器件或者电子器件中有广泛的应用前景。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。
17.图1a-图1b分别为本技术一典型实施例方案中同质外延结构的示意图。
18.图2为本技术实施例1中制备的同质外延结构样品a的光致发光pl测试图谱；
19.图3为本技术对比例1中制备的同质外延结构样品b的光致发光pl测试图谱；
20.图4位本技术一典型实施例方案中在制备界面弛豫层和翘曲调控层时第一iii族源、第二iii族源及氮源通入装置示意图。
具体实施方式
21.鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和实践，得以提出本技术的技术方案，如下将予以更为详细的说明。
22.本技术的一些实施例提供的一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构的均匀性调控方法包括：
23.提供氮化物单晶衬底，所述衬底包括第二iii族元素；
24.在所述衬底上生长界面弛豫层，所述界面弛豫层包括二元氮化物层，所述二元氮化物层包括第一iii族元素，所述第一iii族元素与所述第二iii族元素不同，以产生压应力或张应力，从而平衡所述衬底的翘曲；
25.在所述界面弛豫层上生长翘曲调控层，所述翘曲调控层表面平整，所述翘曲调控层包括三元氮化物层或包含三元氮化物层的超晶格结构，所述三元氮化物层包括第一iii族元素和第二iii族元素。
26.在一个实施例中，所述二元氮化物层的组成材料的晶格常数大于所述氮化物单晶衬底的组成材料的晶格常数，以产生张应力；或者，所述二元氮化物层的组成材料的晶格常数小于所述氮化物单晶衬底的组成材料的晶格常数，以产生压应力。
27.在一个实施例中，所述第一iii族元素为al或in，第二iii族元素为ga。
28.在一个实施例中，所述第一iii族元素与第二iii族元素相邻。
29.在一个实施例中，所述氮化物单晶衬底的厚度在1μm以上。
30.进一步地，所述氮化物单晶衬底的厚度为1-2.5μm。
31.在一个实施例中，所述界面弛豫层的厚度为1-10nm。
32.在一个实施例中，所述三元氮化物层的厚度为10nm-100nm，所述包含三元氮化物层的超晶格结构的厚度为10nm-200nm。
33.在一个实施例中，当所述预置应力为张应力时，所述二元氮化物层中第一iii族元素的含量为5at.％～10at.％，所述包含三元氮化物层的超晶格结构中第一iii族元素的含量为5at.％～20at.％。
34.具体地，所述二元氮化物层为inn材料时，所述三元氮化物层为ingan材料，且ingan材料中in元素的含量为5at.％～10at.％，三元氮化物层的厚度为10～50nm，同时所述三元氮化物层中的组分可不变也可以是组分渐变。
35.具体地，所述二元氮化物层为inn材料时，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为ingan/gan超晶格结构，且ingan材料中in元素的含量为5at.％～20at.％，包含三元氮化物层的超晶格结构的厚度为10～200nm。
36.在一个实施例中，当所述预置应力为压应力时，所述三元氮化物层中第一iii族元素的含量为5at.％～20at.％，所述包含三元氮化物层的超晶格结构中第一iii族元素的含量为5at.％～100at.％。
37.具体地，所述二元氮化物层为aln材料时，所述三元氮化物层为algan单层材料，algan中al元素的含量为5at.％～20at.％，三元氮化物层的厚度为10～100nm，同时所述三元氮化物层中的组分可不变也可以是组分渐变。
38.具体地，所述二元氮化物层为aln材料时，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为algan/gan超晶格结构，algan中al元素的含量为5at.％～100at.％，包含三元氮化物层的超晶格结构的厚度为10～200nm。
39.进一步地，所述超晶格结构包括ingan/gan超晶格结构、algan/gan超晶格结构等，且不限于此。
40.本技术中，gan的晶格常数介于inn和aln之间，而三者的热失配小于晶格失配，故可以灵活实现张应力和压应力之间的转变。比如，inn的晶格常数大于gan，此时在gan单晶衬底上生长in(ga)n时，就会引入张应力，使后续生长的外延层往凹的方向弯曲。而aln的晶格常数小于gan，此时在衬底上生长al(ga)n时，就会引入压应力，使后续生长的外延层往凸的方向弯曲。而由于生长的是异质层材料，其晶格是不匹配的，需要单晶衬底这样晶体质量很好的材料为基底。从而实现了本技术中氮化物单晶衬底的同质外延结构的均匀性调控方法。
41.在一个实施例中，所述基于氮化物单晶衬底的同质外延结构的均匀性调控方法具体包括：
42.s1、将所述衬底置入生长腔室，并在所述生长腔室内形成保护性气氛，之后将所述衬底温度设置为所述二元氮化物层的生长温度，再向所述生长腔室内输入第一iii族源，以在所述衬底表面沉积一层第一iii族元素的原子，形成界面浸润层；
43.s2、向所述生长腔室内输入第一iii族源和氮源，在所述界面浸润层上生长二元氮化物层，从而形成界面弛豫层；
44.s3、向所述生长腔室内输入第一iii族源、第二iii族源及氮源，在所述界面弛豫层上生长三元氮化物层或包含三元氮化物层的超晶格结构，从而形成翘曲调控层。
45.进一步地，所述第一iii族源可以是in、al、ga、b源等，且不限于此。
46.具体地，所述第一iii族源可以是tmin或者tmal。
47.进一步地，所述第二iii族源可以是al、ga、源等，且不限于此。
48.在一个实施例中，所述氮化物单晶衬底包括gan单晶衬底或aln单晶衬底。
49.在一个实施例中，步骤s3具体包括：将所述第一iii族源、第二iii族源及氮源交替输入所述生长腔室，在所述界面弛豫层上生长超晶格结构，从而形成所述翘曲调控层。
50.在一个实施例中，步骤s3具体包括：向所述生长腔室内输入第一iii族源、第二iii族源及氮源，并将所述第一iii族源、第二iii族源及氮源的流量控制在200sccm以下，以及将所述生长腔室内的气压设置为30-70torr，在所述界面弛豫层上生长超晶格结构，从而形成所述翘曲调控层。
51.例如，对于algan/gan的超晶格层，可以通过交替通入所需的al源、ga源和n源，交替在衬底表面淀积成膜，降低生长速率，提高晶格排布的致密性；此外，还可以在algan/gan的超晶格层的生长时，降低气流流量，200sccm；降低压强，30-70torr，以提高晶格排布的致密性。
52.在一个实施例中，在制备界面弛豫层和翘曲调控层时，所述第一iii族源、第二iii族源及氮源通入装置示意图如图4所示。
53.在一个实施例中，当所述氮化物单晶衬底为gan单晶衬底时，所述二元氮化物层为aln层，所述三元氮化物层为al
x
ga
1-x
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为al
x
ga
1-x
n/gan超晶格结构，0＜x＜1；
54.或者，当所述氮化物单晶衬底为gan单晶衬底时，所述二元氮化物层为inn层，所述三元氮化物层为inyga
1-y
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为inyga
1-y
n/gan超晶格结构，0＜y＜1；
55.或者，当所述氮化物单晶衬底为aln单晶衬底时，所述二元氮化物层为gan层，所述三元氮化物层为al
x
ga
1-x
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为al
x
ga
1-x
n/aln超晶格结构，0＜x＜1；
56.或者，当所述氮化物单晶衬底为aln单晶衬底时，所述二元氮化物层为bn层，所述三元氮化物层为b
x
al
1-x
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为bxal
1-x
n/aln超晶格结构，0＜x＜1。
57.在一个实施例中，所述均匀性调控方法还包括：在所述翘曲调控层上生长半导体功能层。
58.在一个较为具体的实施方案中，所述基于氮化物单晶衬底的同质外延结构的均匀性调控方法可以包括：
59.首先，在氨气的保护gan单晶衬底的情况下升温到inn基或者aln基材料的生长温度后，进行界面弛豫层的生长。需要断开氨气的同时，通入有机金属源tmin或者tmal，时间控制在几秒，目的是为了在gan单晶衬底上铺一层金属in原子或者金属al原子，作用是浸润衬底二次外延的界面层。然后切入氨气，进行生长inn或者aln材料，为后续失配材料进行晶格弛豫，从而生长界面弛豫层，厚度控制在1-10nm。界面弛豫层为生长翘曲调控层进行前期的弛豫和界面处理，来保证后续较厚的材料的晶体质量和有效调控。
60.接着，对应inn基材料的界面弛豫层，则生长翘曲调控层为ingan材料或者ingan/gan超晶格结构来进行外延片凹方向的弯曲调整；ingan材料的in元素的含量为5％～10％，
组分可不变也可以是组分渐变，厚度范围10-50nm，如果是ingan/gan超晶格结构，ingan的in元素的含量为5％～20％，则厚度范围10-200nm。对应aln基材料的界面弛豫层，则生长翘曲调控层为algan单层材料或者algan超晶格结构来进行外延片凸方向的弯曲调整；algan材料的al元素的含量为5％～20％，组分可不变也可以是组分渐变，厚度范围10-100nm。如果是algan/gan超晶格结构，algan的al元素的含量为5％～100％，厚度范围10-200nm。以上完成翘曲调控层的生长。
61.本技术提出在gan单晶衬底上，首先沉积界面弛豫层，为后续翘曲调控层做准备，该层的材料为金属in/inn材料或金属al/aln材料，后续再以al(in)gan材料或者超晶格材料为翘曲调控层，然后再生长外延结构，如光电器件的led或者电子器件的hemt结构。本技术通过翘曲调控层中in(ga)n或al(ga)n的组分和厚度调整，来实现整个外延片的凹凸性调节，从而实现对翘曲的可控以及高均匀性外延片的生长。
62.本技术中为了平衡氮化物单晶衬底的翘曲问题，先生长与氮化物单晶衬底晶格失配大的界面弛豫层来平衡衬底的翘曲，同时也可以作为后续翘曲调控层的过渡层，提高晶体质量；其次后续生长的翘曲调控层是为了将平衡翘曲后的结构逐渐长平，可以通过减缓生长速率，使得晶格排布更加致密，拉应力或压应力更加均匀，实现更好的平整度。
63.本技术的一些实施例提供了一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构，其包括：
64.氮化物单晶衬底；
65.界面弛豫层，其生长在所述衬底上，所述界面弛豫层包括二元氮化层，所述二元氮化层的组成材料与所述衬底的组成材料晶格失配，以产生压应力或张应力，从而平衡所述衬底的翘曲；
66.翘曲调控层，其生长在所述界面弛豫层上，所述翘曲调控层表面平整，所述翘曲调控层包括三元氮化物层或包含三元氮化物层的超晶格结构。
67.在一个实施例中，所述基于氮化物单晶衬底的同质外延结构还包括半导体功能层，所述半导体功能层生长在所述翘曲调控层上。
68.在一个实施例中，所述二元氮化层第一iii族氮化层的组成材料的晶格常数大于所述衬底的组成材料的晶格常数，以产生张应力；或者，所述第一iii族氮化层的组成材料的晶格常数小于所述衬底的组成材料的晶格常数，以产生压应力。
69.在一个实施例中，所述氮化物单晶衬底的厚度在1μm以上。
70.进一步地，所述氮化物单晶衬底的厚度为1-2.5μm。
71.在一个实施例中，所述界面弛豫层的厚度为1-10nm。
72.在一个实施例中，所述三元氮化物层的厚度为10nm-100nm，所述包含所述三元氮化物层组成的超晶格结构的厚度为10nm-200nm。
73.在一个实施例中，当所述氮化物单晶衬底为gan单晶衬底时，所述二元氮化物层为aln层，所述三元氮化物层为al
x
ga
1-x
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为al
x
ga
1-x
n/gan超晶格结构，0＜x＜1；
74.或者，当所述氮化物单晶衬底为gan单晶衬底时，所述二元氮化物层为inn层，所述三元氮化物层为inyga
1-y
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为inyga
1-y
n/gan超晶格结构，0＜y＜1；
75.或者，当所述氮化物单晶衬底为aln单晶衬底时，所述二元氮化物层为gan层，所述
三元氮化物层为al
x
ga
1-x
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为al
x
ga
1-x
n/aln超晶格结构，0＜x＜1；
76.或者，当所述氮化物单晶衬底为aln单晶衬底时，所述二元氮化物层为bn层，所述三元氮化物层为b
x
al
1-x
n层，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为b
x
al
1-x
n/aln超晶格结构，0＜x＜1。
77.在一个实施例中，所述均匀性调控方法还包括：在所述翘曲调控层上生长半导体功能层。
78.在一个实施例中，当所述预置应力为张应力时，所述二元氮化物层中第一iii族元素的含量为5at.％～10at.％，所述包含三元氮化物层的超晶格结构中第一iii族元素的含量为5at.％～20at.％。
79.具体地，所述二元氮化物层为inn材料时，所述三元氮化物层为ingan材料，且ingan材料中in元素的含量为5at.％～10at.％，三元氮化物层的厚度为10～50nm，同时所述三元氮化物层中的组分可不变也可以是组分渐变。
80.具体地，所述二元氮化物层为inn材料时，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为ingan/gan超晶格结构，且ingan材料中in元素的含量为5at.％～20at.％，包含三元氮化物层的超晶格结构的厚度为10～200nm。
81.在一个实施例中，当所述预置应力为压应力时，所述三元氮化物层中第一iii族元素的含量为5at.％～20at.％，所述包含三元氮化物层的超晶格结构中第一iii族元素的含量为5at.％～100at.％。
82.具体地，所述二元氮化物层为aln材料时，所述三元氮化物层为algan单层材料，algan中al元素的含量为5at.％～20at.％，三元氮化物层的厚度为10～100nm，同时所述三元氮化物层中的组分可不变也可以是组分渐变。
83.具体地，所述二元氮化物层为aln材料时，所述包含三元氮化物层的超晶格结构为algan/gan超晶格结构，algan中al元素的含量为5at.％～100at.％，包含三元氮化物层的超晶格结构的厚度为10～200nm。
84.在一个实施例中，所述氮化物单晶衬底包括gan单晶衬底或aln单晶衬底，且不限于此。
85.在一个实施例中，所述同质外延结构为半导体发光器件结构，其中所述半导体功能层包括第一导电类型的半导体层、多量子阱发光层和第二导电类型的半导体层。
86.在一个实施例中，所述同质外延结构为电子器件结构，其中所述半导体功能层包括高阻层、插入层、沟道层、势垒层、帽层等。
87.在一个较为具体的实施方案中，一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构如图1a所示，包括gan单晶衬底(前述的氮化物半导体单晶衬底)，依次生长在所述衬底上的界面弛豫层和翘曲调控层，以及形成于翘曲调控层上的n型gan区域层、mqws发光层、p型gan区域层(前述的半导体功能层)。其中通过界面弛豫层和翘曲调控层实现对n型gan区域层、mqws发光层、p型gan区域层的均匀性调控。
88.在一个较为具体的实施方案中，一种基于氮化物单晶衬底的同质外延结构如图1b所示，包括gan单晶衬底(前述的氮化物半导体单晶衬底)，依次生长在所述衬底上的界面弛豫层和翘曲调控层，以及形成于翘曲调控层上的高阻层、插入层、沟道层、势垒层、帽层(前
述的半导体功能层)。
89.以下将结合附图及若干实施例对本技术的技术方案进行更详细的描述，但应当理解，如下实施例仅仅是为了解释和说明该技术方案，但不限制本技术的范围。又及，若非特别说明，如下实施例中所采用的各种原料、反应设备、检测设备及方法等均是本领域已知的。
90.常规的gan单晶衬底在同质外延中易出现凹的现象，因此，实施例以解决衬底gan单晶衬底凹的现象而采用的均匀性调控方法为例。
91.实施例1
92.将gan单晶衬底放入mocvd外延系统生长gan同质led外延片，记为样品a。
93.首先压强设为70torr，开启氨气，在n2载气的气氛下升温到1100℃，达到平衡后，关闭氨气的同时切入tmal流量300sccm，持续时间5s，在单晶衬底表面铺约一层金属al原子。然后重新打开氨气，生长aln约1min，厚度约2nm。至此完成界面弛豫层的生长。然后在同样条件下，同时通入al源、ga源及氮源，进行algan/gan的超晶格材料生长，其中algan的厚度为3nm，algan中al元素的含量为50％，gan的厚度为2nm，周期30个。
94.完成翘曲调控层后，生长led外延结构，2μm厚度n型gan，接着5个周期的ingan/gan量子阱，其中ingan的in元素的含量为15％，厚度3nm，gan的厚度12nm，然后是200nm厚度的p型gan。
95.对比例1
96.方法同实施例1，不同之处在于：gan单晶衬底不生长界面弛豫层及翘曲调控层，制备的同质gan外延片记为样品b。
97.对实施例1和对比例1中的样品a和样品b进行测试，图2-图3为样品a和样品b的光致发光pl测试图谱。可见，常规生长方法(即对比例1中的方案)，由于gan单晶衬底的生长工艺和后续切磨抛的原因，容易晶格弯曲而生长led时容易出现如样品b波长中间短、整体中心凹陷的情况，在主波长450nm的情况，波长均匀性在4.4nm。而通过本技术实施例1中插入界面弛豫层和翘曲调控层后，gan同质外延片样品a，在相同的主波长情况下，波长均匀性提高到1.2nm。这是外延片的弯曲变凸的结果，验证了本技术提供的调控方法的有效性。
98.对比例2
99.方法同实施例1，不同之处在于：gan单晶衬底不生长界面弛豫层(即：直接在gan单晶衬底上依次生长algan/gan的超晶格材料和led外延结构)，制备的同质gan外延片记为样品c。
100.对比例3
101.方法同实施例1，不同之处在于：gan单晶衬底不生长翘曲调控层(即：直接在gan单晶衬底上依次生长界面弛豫层和led外延结构)，制备的同质gan外延片记为样品d。
102.实施例2
103.方法同实施例1，不同之处在于：在进行翘曲调控层生长时，将al源、ga源及氮源交替输入生长腔室，在aln界面弛豫层上生长algan/gan的超晶格结构，从而形成翘曲调控层。
104.具体地将al源、ga源及氮源的流量控制降低在200sccm以下，以及将生长腔室内的气压设置为30-70torr，在aln界面弛豫层上生长algan/gan的超晶格结构，从而形成翘曲调控层。
105.制备的同质gan外延片记为样品e。
106.实施例3
107.将gan单晶衬底放入mocvd外延系统生长gan同质led外延片，记为样品f。
108.首先压强设为50torr，开启氨气，在n2载气的气氛下升温到1100℃，达到平衡后，关闭氨气的同时切入tmal流量300ccm，持续时间5s，在单晶衬底表面铺约一层金属al原子。然后重新打开氨气，生长aln约1min，厚度约2nm。至此完成界面弛豫层的生长。然后在同样条件下，进行algan单层材料生长，其中algan的厚度为3nm，algan中al元素的含量为10％，gan的厚度为2nm，周期30个。完成翘曲调控层后，生长led外延结构，2μm厚度n型gan，接着5个周期的ingan/gan量子阱，其中ingan的in元素的含量为15％，厚度3nm，gan的厚度12nm，然后是200nm厚度的p型gan。
109.实施例4
110.将aln单晶衬底放入mocvd外延系统生长aln同质uv-led外延片，记为样品g。
111.首先压强设为30torr，开启氨气，在n2载气的气氛下升温到1100℃，达到平衡后，关闭氨气的同时切入b源流量200ccm，持续时间5s，在单晶衬底表面铺约一层b原子。然后重新打开氨气，生长bn约1min，厚度约2nm。至此完成界面弛豫层的生长。然后在同样条件下，进行bn/aln的超晶格材料生长，其中bn的厚度为3nm，aln的厚度为2nm，周期25个。完成翘曲调控层后，生长uv-led外延结构，2μm厚度n型algan，接着5个周期的algan/gan量子阱，其中algan的al元素的含量为50％，厚度3nm，gan的厚度12nm，然后是200nm厚度的p型algan。
112.利用本领域习知的方式，分别利用实施例1-4以及对比例1-3中的同质外延结构制作led器件，再对这些器件进行测试如表1所示。
113.表1实施例1-4以及对比例1-3中的同质外延结构制作led器件的测试结果
[0114][0115]
最后应说明的是：以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。