氮化物LED外延层结构及制造方法技术

本发明专利技术提出一种氮化物LED外延层结构及制造方法，其特征在于，包括：在表面形成有凸状图形的蓝宝石衬底、在所述蓝宝石衬底上形成的下部uGaN层、在所述下部uGaN层上形成的凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层、在所述应力释放层上形成的氮化硅插入层、在所述氮化硅插入层上形成的上部uGaN层、以及在所述上部uGaN层上形成的氮化镓基外延层。其不仅解决了在蓝宝石衬底上生长氮化镓半导体层时产生位错缺陷问题，同时还解决了脱位缺陷和裂纹的产生的问题，可以最大限度地减少由贯穿电势引发缺陷的形象，从而形成高质量外延层，同时，通过增加uGaN层厚度，可以防止裂纹的发生。

【技术实现步骤摘要】
氮化物LED外延层结构及制造方法
本专利技术属于LED外延片制造领域，尤其涉及一种氮化物LED外延层结构及制造方法。
技术介绍
当正向电压施加在半导体发光元件（LED）上的情况下，p型半导体层的空穴与n型半导体层的电子相结合，发射出与带隙能量相对应波长的光。氮化镓基半导体(AlxInyGa1-x-yN;0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)通过改变其外延层当中铝、铟和镓的组成比，发出不同波长的光，并作为这样的一种发光元件材料受到瞩目。氮化镓基外延层通过高温沉积过程生长获得，在制造过程如湿法蚀刻过程中，通过酸性或碱性的化学药品暴露出来。因此具有高熔点(2050℃)以及优秀的耐化学性的六方晶系构造的带有类似氮化镓基外延层晶体学构造的蓝宝石衬底被用作氮化镓基外延层的生长基板。但是，由于蓝宝石衬底和氮化镓半导体层的晶格常数差异造成的晶格失配情况较为严重，且界面之间的晶格不一致导致产生位错(dislocation)。这样的位错向外延层的内部扩散，这是降低发光二极管发光效率的关键因素。在现有技术中，为了减少以上所述的位错缺陷已经研究出了一种无掺杂氮化镓(uGaN)底层的形成方法。但是随着uGaN底层厚度的增加，由于热膨胀系数差异容易产生裂纹，并不能真正稳妥地解决氮化镓半导体层的脱位缺陷和裂纹的产生的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足和难以解决的技术缺陷，本专利技术提供了一种主要针对氮化物底层（Nitridetemplate）结构进行改进的氮化镓基外延层结构方案，其具体采用以下技术方案：一种氮化物LED外延层结构，其特征在于，包括：在表面形成有凸状图形的蓝宝石衬底、在所述蓝宝石衬底上形成的下部uGaN层、在所述下部uGaN层上形成的凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层、在所述应力释放层上形成的氮化硅插入层、在所述氮化硅插入层上形成的上部uGaN层、以及在所述上部uGaN层上形成的氮化镓基外延层。优选地，所述氮化硅插入层的厚度为1nm-1.5nm。优选地，所述氮化硅插入层中具有纳米孔结构。优选地，所述蓝宝石衬底和下部uGaN层之间设置有种晶层，所述种晶层为包含氮化铝的氮化物底层。一种氮化物LED外延层结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将蓝宝石衬底图形化，表面形成多个凸状图形；步骤2：在所述蓝宝石衬底上形成下部uGaN层；步骤3：在所述下部uGaN层上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层；步骤4：在所述应力释放层上形成氮化硅插入层；步骤5：在所述氮化硅插入层上形成上部uGaN层；步骤6：在所述上部uGaN层上形成氮化镓基外延层。优选地，在步骤3中，形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层的温度条件为：800℃到900℃。优选地，在步骤1和步骤2之间还包括步骤11：在所述蓝宝石衬底上形成种晶层，所述种晶层由氮化铝在1050℃到1200℃的温度下，通过化学气相沉积法蒸镀沉积形成；所述步骤2为：在所述种晶层上形成下部uGaN层。优选地，在步骤2中，所述下部uGaN层在950℃以上的温度下进行蒸镀沉积形成；在步骤5中，所述上部uGaN层在950℃以上的温度下进行蒸镀沉积形成。优选地，在步骤3中，所述应力释放层的上侧为通过调节应力释放层生长时间及生长温度形成的凸丘状图案，或通过图案化及刻蚀形成的凹凸状图案。优选地，在步骤4中，所述氮化硅插入层的形成过程中，采用形成下部uGaN层和应力释放层时所使用的反应室，通过注入含甲硅烷及氮气的反应源，蒸镀形成氮化硅插入层；所述氮化硅插入层中具有纳米孔结构。本专利技术及其优选方案的提出，不仅解决了在蓝宝石衬底上生长氮化镓半导体层时产生位错缺陷问题，同时还解决了脱位缺陷和裂纹的产生的问题，可以最大限度地减少由贯穿电势引发缺陷的形象，从而形成高质量外延层，同时，通过增加uGaN层厚度，可以防止裂纹的发生。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细的说明：图1为现有技术中氮化物LED外延层结构截面结构示意图；图2为本专利技术实施例的截面结构示意图；图3为本专利技术实施例的制造方法流程示意图；图中：20-蓝宝石衬底；21-种晶层；12-uGaN层；22-下部uGaN层；23-应力释放层；25-氮化硅插入层；26-上部uGaN层；27-氮化镓基外延层。具体实施方式为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：如图1所示，在现有技术中，为了解决蓝宝石衬底20及生长在其上的氮化镓基外延层27由于晶格失配产生的位错缺陷的问题，采用的是插入一层uGaN层12的方案，其中，种晶层21的设置是为了使蓝宝石衬底20上能够更好地生长uGaN层12。但是，虽然厚厚的uGaN层12或多或少可以防止在与蓝宝石衬底20的临界面上发生的位错传播至氮化镓基外延层27，但由于蓝宝石衬底20与uGaN层12间的热膨胀系数差异将产生应力，因此当uGaN层12的厚度超过2㎛时，就很容易发生因应力而破裂的现象。如图2所示，本专利技术针对现有技术的方案作出了改进，其要旨在于：在表面形成有凸状图形的蓝宝石衬底20（图形化蓝宝石衬底20）上形成下部uGaN层22、在下部uGaN层22上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层23、在应力释放层23上形成氮化硅插入层25、在氮化硅插入层25上形成上部uGaN层26、以及在上部uGaN层26上形成氮化镓基外延层27。其中，将蓝宝石衬底20图案化之后形成阵列排布的凸状图形后，可以减少氮化物底层生长时产生的缺陷，防止内部全反射，同时增加发光效率。在蓝宝石衬底20上可以选择性地生长种晶层21，种晶层21可以调节氮化镓的晶体核生成率。种晶层21之中包含有氮化铝(AlN)。下部uGaN层22形成于蓝宝石衬底20或种晶层21上，作为削减与蓝宝石衬底20间因晶格系数差异而产生的位错缺陷的一层，下部uGaN层22包含未掺杂的氮化镓半导体。应力缓冲层作为具有凸丘状（hillock）或凹凸状图案的氮化镓晶体层，它在低温下形成，具有很多缺陷。应力缓冲层的凸丘或凹凸图案可以吸收因加热或冷却时发生的热膨胀系数差异而产生的应力，并且起着防止发生破裂的作用。氮化硅插入层25的厚度仅为1nm-1.5nm.非常薄的氮化硅插入层25中可以形成纳米孔结构。即，在此情况下，氮化硅插入层25实际在应力缓冲层上形成了多个氮化硅岛（island），这些氮化硅岛可以起纳米罩（nano-mask）的作用。上部uGaN层26作为在从氮化硅插入层25的纳米孔结构而裸露的应力缓冲层侧面长出的氮化镓晶体，是一种几乎没有缺陷的高品质氮化镓半导体层。而且因蓝宝石衬底20的热膨胀系数差异引起的应力也可以由其下部的应力缓冲层消除。因而，为了更进一步地消除遗留的位错缺陷等，可以形成一层厚度充分的上部uGaN层26。在此基础上，形成的氮化镓基外延层27即可为几乎没缺陷的高品质外延层。如图3所示，本实施例的制造方法大致可以划分为S10~S60，共6个步骤：步骤1：将蓝宝石衬底20图形化，表面形成多个凸状图形；（S10）步骤2：在蓝宝石衬底20上形成下部uGaN层22；（S20）步骤3：在下部uGaN层22上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层23；（S30）步骤4：在应力释放层23上形成氮化硅插入层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化物LED外延层结构，其特征在于，包括：在表面形成有凸状图形的蓝宝石衬底、在所述蓝宝石衬底上形成的下部uGaN层、在所述下部uGaN层上形成的凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层、在所述应力释放层上形成的氮化硅插入层、在所述氮化硅插入层上形成的上部uGaN层、以及在所述上部uGaN层上形成的氮化镓基外延层。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物LED外延层结构，其特征在于，包括：在表面形成有凸状图形的蓝宝石衬底、在所述蓝宝石衬底上形成的下部uGaN层、在所述下部uGaN层上形成的凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层、在所述应力释放层上形成的氮化硅插入层、在所述氮化硅插入层上形成的上部uGaN层、以及在所述上部uGaN层上形成的氮化镓基外延层。2.根据权利要求1所述的氮化物LED外延层结构，其特征在于：所述氮化硅插入层的厚度为1nm-1.5nm。3.根据权利要求2所述的氮化物LED外延层结构，其特征在于：所述氮化硅插入层中具有纳米孔结构。4.根据权利要求1所述的氮化物LED外延层结构，其特征在于：所述蓝宝石衬底和下部uGaN层之间设置有种晶层，所述种晶层为包含氮化铝的氮化物底层。5.一种氮化物LED外延层结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将蓝宝石衬底图形化，表面形成多个凸状图形；步骤2：在所述蓝宝石衬底上形成下部uGaN层；步骤3：在所述下部uGaN层上形成凸丘状或凹凸状氮化镓晶体构成的应力释放层；步骤4：在所述应力释放层上形成氮化硅插入层；步骤5：在所述氮化硅插入层上形成上部uGaN层；步骤6：在所述上部uGaN层上形成氮化镓基外延层。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琼，
申请(专利权)人：福建兆元光电有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35