一种氮化铝外延结构及其生长方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化铝外延结构，包括纳米图形化蓝宝石衬底、氮化铝(AlN)成核层、准二维结构层、三维结构层、三维‑二维快速切换层、二维结构层，其中，准二维结构层为网状结构的2D形貌的氮化铝层，三维结构层为3D形貌的氮化铝层，三维‑二维快速切换层为2D形貌的氮化铝层，二维结构层为2D形貌的氮化铝层。本发明专利技术还提出一种氮化铝外延结构的生长方法，在AlN外延生长过程中，采用高温‑低温‑脉冲氨气‑高温四步生长法，通过调控AlN生长过程中的温度和V/III，结合脉冲氨气横向外延生长技术，可以得到表面光滑平整的AlN外延层，有效降低外延层位错密度，提高AlN外延层的晶体质量，提高紫外发光二极管的内量子效率。

A kind of AlN epitaxial structure and its growth method

【技术实现步骤摘要】
一种氮化铝外延结构及其生长方法
本专利技术涉及半导体发光二极管
，具体地说，本专利技术涉及一种氮化铝外延结构及其生长方法。
技术介绍
氮化铝(AlN)具有禁带宽度高、热导率高和抗辐射能力强等优点，被广泛应用于紫外发光二极管(UVLED)器件。由于AlN晶体与GaN晶体的晶格常数和热膨胀系数比较接近，可以降低蓝宝石与氮化镓(GaN)材料的晶格失配，提高外延生长AlGaN的晶体质量，从而提高UVLED的光电性能。但蓝宝石衬底与AlN材料的晶格常数和热膨胀系数较大，仍存在较大的晶格失配，在后续外延生长中引入较大的位错密度和应变，并且由于Al原子迁移率较低，横向生长缓慢，很难形成平整光滑的表面，增加外延层的位错密度，位错密度对紫外发光二极管器件的内量子效率影响显著，故获得高晶体质量的氮化铝外延层对提升紫外发光二极管器件性能尤为重要。目前主要采用在AlN成核层上低温生长AlN和高温生长AlN相结合的工艺，提供高密度的成核中心，实现AlN从三维形貌进入二维生长模式，即通过两步生长法促进AlN的二维生长，并降低外延层的位错密度。三维生长是III-V族化合物外延生长过程降低位错密度的常用方法，通常采用低温生长AlN的方法促进三维生长。在纳米图形化蓝宝石衬底(NPSS)上生长AlN外延层，可以弥补AlN横向生长迁移能力不足，高温生长有助于AlN二维生长，但在高温生长过程中AlN易在NPSS的凹坑内生长，不利于网格状的AlN外延层横向生长合并。并且在低温生长AlN形成三维形貌后，直接进入高温生长阶段，难以得到表面光滑平整的AlN外延层。
技术实现思路
为解决现有技术的问题，有效降低AlN外延层的位错密度并提高其晶体质量，本专利技术提供了一种氮化物外延结构，采用的技术方案如下：在衬底上刻蚀纳米图形阵列，形成凹坑-深坑型纳米图形化衬底，在AlN外延生长过程中，结合不同比例的V/III生长条件，采用高温-低温-脉冲氨气-高温四步生长法。所述一种氮化物外延结构，其外延结构依次为纳米图形化衬底、溅射氮化铝成核层、准二维结构层、三维结构层、三维-二维快速切换层、二维结构层，其中，准二维结构层为网状结构的2D形貌，三维结构层为3D形貌，三维-二维快速切换层为2D形貌，二维结构层为2D形貌，其中，衬底可为纳米图形化蓝宝石衬底、纳米图形化碳化硅衬底或纳米图形化硅衬底。本专利技术提供了一种氮化铝外延结构的生长方法，包括以下步骤：步骤一、提供平片衬底；步骤二、在所述衬底上刻蚀纳米图形阵列，形成纳米图形化衬底；步骤三、在所述纳米图形化衬底上，溅射沉积一层AlN成核层；步骤四、将所述溅射有AlN成核层的纳米图形化衬底放入高温MOCVD反应腔中，控制所述反应腔的温度为1000-1500℃，压力为30-100mbar，通入氨气和三甲基铝，在所述AlN成核层上生长准二维结构层；步骤五、控制所述反应腔的温度为900-1000℃，压力为30-100mbar，通入氨气和三甲基铝，在所述准二维结构层上生长三维结构层；步骤六、控制所述反应腔的温度为1000-1500℃，压力为30-100mbar，通入氨气和三甲基铝，在所述三维结构层上采用脉冲氨气横向外延生长法生长三维-二维快速切换层；步骤七、控制所述反应腔的温度为1000-1500℃，压力为30-100mbar，通入氨气和三甲基铝，在所述三维-二维快速切换层上生长二维结构层。优选的，所述步骤二中的纳米图形阵列为凹坑-深坑型纳米图形阵列，所述凹坑-深坑型为倒圆台凹坑和圆柱体深坑的组合图形，在所述倒圆台凹坑底部刻蚀所述圆柱体深坑，所述倒圆台凹坑图形周期为1000nm，所述倒圆台凹坑顶部直径为900nm，凹坑底部直径为200nm，凹坑深度为200nm，所述圆柱体深坑图形周期为1000nm，深坑直径为200nm，深坑深度为300nm。可选的，所述步骤三中AlN成核层的厚度为30-50nm。可选的，所述步骤四中通入氨气和三甲基铝的摩尔流量比为2000～5000，所述准二维结构层厚度为50-200nm。可选的，所述步骤五中通入氨气和三甲基铝的摩尔流量比为2000～5000，所述三维结构层厚度为100-500nm。可选的，所述步骤六中通入氨气和三甲基铝的摩尔流量比为500～1500，所述氨气流量为100-200mmol/min，所述三甲基铝流量为50-200μmol/min，所述三甲基铝在所述三维-二维快速切换层生长过程中持续通入，所述氨气以脉冲形式通入和关闭，所述氨气通入时间为x，所述氨气关闭时间为y，5s≤x≤10s，5s≤y≤10s；所述三维-二维快速切换层厚度为300-600nm。可选的，所述步骤七中通入氨气和三甲基铝的摩尔流量比为50～300，所述二维结构层厚度为2.0-3.0μm。本专利技术的上述技术方案的有益效果：1.在成核层和三维结构层之间生长准二维结构层，所述准二维结构层介于3D和2D生长模式之间，AlN在NPSS的c面(0001)上进行生长，形成具有c面(0001)的AlN网状结构，为AlN三维生长提供模板作用；2.在三维结构层和二维结构层之间生长三维-二维快速切换层，促进网格状AlN外延层横向生长合并，极大加快AlN外延层由三维生长模式向二维生长模式转变，有利于得到表面光滑平整的AlN外延层；3.通过调控AlN生长过程中的温度和V/III，结合脉冲氨气横向外延生长技术，生长出厚度为3.0μm且表面光滑无裂纹的高质量AlN外延层，有效降低AlN外延层的位错密度，提高紫外发光二极管的内量子效率。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种氮化铝外延结构的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种氮化铝外延结构的生长方法的流程图；图3为本专利技术实施例1提供的一种氮化铝外延结构的断面TEM图；图4为本专利技术实施例1提供的一种纳米图形阵列的(a)SEM形貌图和(b)AFM形貌图。图5为本专利技术实施例1提供的一种AlN外延层(002)和(102)晶面XRD摇摆曲线图。图中：201-蓝宝石衬底；202-纳米图形阵列；203-AlN成核层；204-准二维结构层；205-三维结构层；206-三维-二维快速切换层；207-二维结构层；202-1-倒圆台凹坑；202-2-圆柱体深坑。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实施方式作进一步地详细描述。实施例1本专利技术实施例提供了一种氮化铝外延结构，图1为本实施例提供的一种氮化铝外延结构的结构示意图。参见图1，该氮化铝外延结构从下到上依次包括蓝宝石衬底201、纳米图形阵列202、AlN成核层203、准二维结构层204、三维结构层205、三维-二维快速切换层206和二维结构层207。本专利技术实施例提供了一种氮化铝外延结构的生长方法，图2为本实施例提供的一种氮化铝外延结构的生长方法的流程图，图3为本专利技术实施例提供的一种氮化铝外延结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化铝外延结构，其特征在于，所述氮化铝外延结构包括衬底、氮化铝成核层、准二维结构层、三维结构层、三维-二维快速切换层、二维结构层，其中，准二维结构层为网状结构的2D形貌，三维结构层为3D形貌，三维-二维快速切换层为2D形貌，二维结构层为2D形貌；其中，衬底可为纳米图形化蓝宝石衬底、纳米图形化碳化硅衬底或纳米图形化硅衬底。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝外延结构，其特征在于，所述氮化铝外延结构包括衬底、氮化铝成核层、准二维结构层、三维结构层、三维-二维快速切换层、二维结构层，其中，准二维结构层为网状结构的2D形貌，三维结构层为3D形貌，三维-二维快速切换层为2D形貌，二维结构层为2D形貌；其中，衬底可为纳米图形化蓝宝石衬底、纳米图形化碳化硅衬底或纳米图形化硅衬底。


2.根据权利要求1所述的一种氮化铝外延结构，其特征在于，所述准二维结构层、三维结构层、三维-二维快速切换层和二维结构层均为氮化铝层。


3.一种氮化铝外延结构的生长方法，其特征在于，在平片衬底上刻蚀纳米图形阵列，形成凹坑-深坑型纳米图形化衬底，在外延生长氮化铝过程中，结合不同比例的V/III生长条件，采用高温-低温-脉冲氨气-高温四步生长法，具体步骤包括：
步骤一、提供衬底，衬底可为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底；
步骤二、在所述衬底上刻蚀纳米图形阵列，形成纳米图形化衬底；
步骤三、在所述纳米图形化衬底上，溅射沉积一层AlN成核层；
步骤四、将所述溅射有AlN成核层的纳米图形化衬底放入高温MOCVD反应腔中，控制所述反应腔的温度为1000-1500℃，压力为30-100mbar，通入三甲基铝和氨气，在所述AlN成核层上生长准二维结构层；
步骤五、控制所述反应腔的温度为900～1000℃，压力为30-100mbar，通入三甲基铝和氨气，在所述准二维结构层上生长三维结构层；
步骤六、控制所述反应腔的温度为1000-1500℃，压力为30-100mbar，通入三甲基铝和氨气，在所述三维结构层上采用脉冲氨气横向外延生长法生长三维-二维快速切换层；
步骤七、控制所述反应腔的温度为1000-1500℃，压力为...

【专利技术属性】
技术研发人员：周圣军，宫丽艳，胡红坡，万辉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42