一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法及外延结构技术

本发明专利技术公开了一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其包括：在硅衬底表面依次形成Al原子、AlN层、Al

Preparation method and epitaxial structure of GaN based epitaxial structure on silicon substrate

【技术实现步骤摘要】
一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法及外延结构
本专利技术涉及发光二极管
，尤其涉及一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法及外延结构。
技术介绍
GaN材料作为第三代半导体材料，具有宽带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等独特优良性能。InGaN、GaN和AlGaN等合金半导体，为直接带隙半导体，带隙从0.7～6.2eV连续可调，是生产短波长高亮度发光器件、紫外光探测器和高温高频微电子器件的理想材料，已被广泛应用于全彩大屏幕显示器、照明、5G通讯和国防等领域。GaN基LED照明正在快速的取代传统照明，高质量的GaN基材料一般是通过异质外延方法制得。相比于目前主流的蓝宝石和SiC衬底，硅衬底材料具有众多优势：价格便宜，制备工艺成熟，尺寸可达8～12寸；可以借鉴传统硅器件的工艺经验，以及利用IC行业的工艺设备；硅衬底导电导热性好，且衬底剥离容易，做大功率垂直LED芯片的优势非常明显；硅衬底GaN电子器件可与传统硅器件集成在同一晶圆上，实现系统集成。但是在硅衬底上生长GaN材料又面临着巨大的技术挑战：GaN材料与硅衬底的晶格失配度大(～17％)，造成GaN材料内部位错密度很高(109～1010cm-2)，这会严重影响LED发光效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其可有效降低衬底与GaN半导体层的晶格失配，提升量子阱区的辐射复合效率，提升LED芯片的亮度。本专利技术还要解决的技术问题在于，提供一种硅衬底GaN即外延结构。<br>为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其包括：(1)维持反应腔为H2气氛，在MOCVD反应腔中通入TMA，在硅衬底表面沉积一层Al原子；(2)在所述Al原子上生长AlN层；(3)在所述AlN层上生长Aly1Ga1-y1N缓冲层，其中y1为0.1～1，其厚度为200～300nm；(4)在所述Aly1Ga1-y1N缓冲层上生长1～2μm的非故意掺杂的本征GaN层；(5)在所述本征GaN层上生长N-GaN层；其中，Si掺杂浓度为1×1019～2×1019atom/cm3；(6)在所述N-GaN层上周期性生长In掺杂的Inx1Ga1-x1N层和GaN层；以形成Inx1Ga1-x1N-GaN超晶格层，其中，x1为0.05～0.15；(7)在Inx1Ga1-x1N-GaN超晶格层上周期性生长Inx2Ga1-x2N层和GaN层，以形成MQW层；其中，Inx1Ga1-x1N厚度为2.5～3.5nm，GaN层的厚度为5～13nm；(8)在MQW层上生长Mg掺杂的P型Aly2Ga1-y2N层，其中，y2为0～0.3，且y2随着P型Aly2Ga1-y2N层厚度的增大而呈递增变化；(9)在P型Aly2Ga1-y2N层上生长厚度为50～200nm的P-GaN层，即得到硅衬底GaN基外延结构成品。作为上述技术方案的改进，所述Aly1Ga1-y1N缓冲层中，y1为0.35～1，且所述y1随着所述Aly1Ga1-y1N缓冲层厚度的增加呈递减变化；或y1为0.1～1；且y1随着所述Aly1Ga1-y1N缓冲层厚度的增加呈递减变化。作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化；步骤(8)中，所述递增变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。作为上述技术方案的改进，步骤(1)包括：(1.1)维持反应腔温度为1000～1100℃，压力为50～200torr，在氢气气氛中处理硅衬底1～5分钟；(1.2)维持反应腔温度为1100～1100℃，压力为50～200torr，在MOCVD反应腔中通入TMA，在硅衬底上生长一层Al原子。作为上述技术方案的改进，步骤(6)中，Inx1Ga1-x1N-GaN超晶格层的生长周期为15～30个；步骤(7)中，MQW层的生长周期为6～12个。作为上述技术方案的改进，所述P型Aly2Ga1-y2N层中，Mg的掺杂浓度为6×1019～1×1020atom/cm3。作为上述技术方案的改进，所述P-GaN层中，Mg的掺杂浓度为2×1020～3×1020atom/cm3。作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，反应腔温度为960～1060℃，压力为50～200torr，反应气体为NH3和TMA；步骤(3)中，反应腔温度为960～1060℃，压力为50～200torr，反应气体为NH3、TMA和TMGa；步骤(4)中，反应腔温度为1000～1100℃，压力为100～300torr，反应气体为NH3和TMGa；步骤(5)中，反应腔温度为1000～1100℃，压力为100～300torr，反应气体为NH3、TMGa和SiH4；步骤(6)中，反应腔温度为780～880℃，压力为100～300torr，反应气体为NH3、TEGa和TMIn；步骤(7)中，反应腔温度为740～840℃，压力为100～300torr，反应气体为NH3、TEGa和TMIn；步骤(8)中，反应腔温度为800～900℃，压力为100～300torr，反应气体为NH3、TMA、TMGa和二茂镁；步骤(9)中，反应腔温度为910～970℃，压力为100～300torr，反应气体为NH3、TMGa和二茂镁。作为上述技术方案的改进，还包括：(10)在650～750℃下保温20～30分钟，炉内冷却。相应的，本专利技术还公开了一种硅衬底GaN外延结构，其上述的制备方法制备而得。实施本专利技术，具有如下有益效果：本专利技术通过在P-GaN层与MQW层之间设置P型Aly2Ga1-y2N层作为电子阻挡层(EBL)，其Al组分采用从低到高、梯度渐变的掺杂方式。这种EBL结构可以拉平电子阻挡层的价带，减少最后一个垒层与电子阻挡层之间的价带势垒差，即降低两者之间的晶格失配，避免引入大应变和极化场，减小了电子阻挡层价带形成的势垒尖峰，减少了空穴注入的阻碍。同时，随着Al组分的增加，电子阻挡层导带的势垒随之升高，对电子溢出量子阱的阻挡作用增强，从而增加量子阱区的辐射复合效率，实现亮度提升。附图说明图1是本专利技术一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法流程图；图2是本专利技术一种硅衬底GaN基外延结构的结构示意图；图3是本专利技术实施例与对比例检测结果对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。仅此声明，本专利技术在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本专利技术的附图为基准，其并不是对本专利技术的具体限定。参见图1，本专利技术提供了一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其包括以下步骤：S1：维持反应腔为H2气氛，在MOCVD反应腔中通入TMA，在硅衬底表面沉积一层Al原子；...

【技术保护点】
1.一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其特征在于，包括：/n(1)维持反应腔为H

【技术特征摘要】
1.一种硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
(1)维持反应腔为H2气氛，在MOCVD反应腔中通入TMA，在硅衬底表面沉积一层Al原子；
(2)在所述Al原子上生长AlN层；
(3)在所述AlN层上生长Aly1Ga1-y1N缓冲层，其中y1为0.1～1，其厚度为200～300nm；
(4)在所述Aly1Ga1-y1N缓冲层上生长1～2μm的非故意掺杂的本征GaN层；
(5)在所述本征GaN层上生长N-GaN层；其中，Si掺杂浓度为1×1019～2×1019atom/cm3；
(6)在所述N-GaN层上周期性生长In掺杂的Inx1Ga1-x1N层和GaN层；以形成Inx1Ga1-x1N-GaN超晶格层，其中，x1为0.05～0.15；
(7)在Inx1Ga1-x1N-GaN超晶格层上周期性生长Inx2Ga1-x2N层和GaN层，以形成MQW层；其中，Inx2Ga1-x2N厚度为2.5～3.5nm，GaN层的厚度为5～13nm；
(8)在MQW层上生长Mg掺杂的P型Aly2Ga1-y2N层，其中，y2为0～0.3，且y2随着P型Aly2Ga1-y2N层厚度的增大而呈递增变化；
(9)在P型Aly2Ga1-y2N层上生长厚度为50～200nm的P-GaN层，即得到硅衬底GaN基外延结构成品。


2.如权利要求1所述的硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其特征在于，所述Aly1Ga1-y1N缓冲层中，y1为0.35～1，且所述y1随着所述Aly1Ga1-y1N缓冲层厚度的增加呈递减变化；或
y1为0.1～1；且y1随着所述Aly1Ga1-y1N缓冲层厚度的增加呈递减变化。


3.如权利要求2所述的硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化；
步骤(8)中，所述递增变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。


4.如权利要求1所述的硅衬底GaN基外延结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括：
(1.1)维持反应腔温度为1000～1100℃，压力为50～200torr，在氢气气氛中处理硅衬底1～5分钟；
(1.2)维持反应腔温度为1100～1100℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭嘉杰，农明涛，庄家铭，贺卫群，仇美懿，
申请(专利权)人：佛山市国星半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44