[发明专利]一种III-V族氮化物的外延结构及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，特别是在图形化衬底上外延III-V族氮化物材料。

背景技术

发光二极管具有使用寿命长、发热量低、响应速度快、环保、安全、体积小等显著优点。其中，波长在220~350nm之间的深紫外发光二极管在生物医疗、防伪鉴定、水和空气净化等领域有着重要的应用。

与蓝光LED相比，目前深紫外发光二极管外量子效率仍偏低，以AlGaN基深紫外LED为例，主要存在以下问题：（1）AlGaN层的压电极化和自发极化强度大，发光层会剧烈弯曲，降低电子和空穴的复合机率，导致内量子效率低；（2）随着Al组分上升，Mg的受主激活性增加，导致室穴下的空穴浓度极低；（3）随着Al组分上升，金属与AlGaN层的接触势垒变大，导致接触电阻上升；（4）Al原子迁移率低，随着Al组分的上升，二维生长的控制变得难度越大，难以生长缺陷密度低、表面平整的外延层，影响发光效率的提升。图形化衬底的应用可极大地缓解全反射的影响，增大光提取效率，提升1~2倍的发光效率；此外，为了减少光吸收，高Al组分的深紫外发光二极管需要采用AlN缓冲层，但由于Al原子迁移率低，采用传统的生长方式难以使用AlN缓冲层在图形化蓝宝石衬底（简称PSS衬底）上长平。

传统的PSS图形上外延GaN层工艺，因Ga的迁移率较高，容易迁移至能量最低处生长，因此生长缓冲层只在PSS底部生长，然后控制低温、高压生长使用GaN层先沿三维方向生长，再采用高温（生长温度一般在1250℃以上）、低压和控制V/III的生长方法来控制转向二维侧向生长，将PSS衬底填平。而采用传统低温（低于1150℃）的MOCVD来进行外延生长AlN，一般采用脉冲原子层沉积来平片蓝宝石衬底外延AlN薄膜，或通过TMIn作为表面活性剂来改善在平片蓝宝石衬底上外延的AlN薄膜的平整度（中国专利CN101603172A），但由于Al原子的迁移率较低，采用传统的方法在PSS衬底上外延生长AlN薄膜难度很大，Al原子无法获得足够的能量迁移至能量最低点再沉积，生长无选择性，外延生长完的AlN薄膜呈一个个突起的六角柱状，难以获得平整的外延表面。因此有必要提出一种新的III-V族氮化物的外延结构及其生长方法。

发明内容

本发明提供了一种在图形化衬底上外延III-V族氮化物的结构及其方法，采用TMIn/Cp2Mg同时或交替通入的迁移率增强的方法，提升Al原子的迁移率，先在图形化衬底生长AlN缓冲层的底层结构，然后再侧向沉积AlN薄膜，提升AlN的侧向外延生长速率，使AlN薄膜在图形化衬底的顶端进行合并，从而形成具有空气层间隙的AlN缓冲层，进而改善后续III-V族氮化物层的生长质量，提升发光效率，可适用于制作AlGaN基深紫外发光二极管。

平整的AlN缓冲层有如下优点：一、提供平整的表面，有利于后续III-V族氮化物层的外延，即平整的AlN缓冲层可以起到良好的缓冲作用；二、该结构可以采用MOCVD方法、MBE方法或HVPE方法等外延方式原位形成，能够方便地融合到III-V族氮化物的外延中去。

根据本发明的第一个方面，III-V族氮化物的外延结构，包括：图形化衬底，位于图形化衬底之上的AlN缓冲层以及位于AlN缓冲层之上的III-V族氮化物层，其特征在于：所述AlN缓冲层的底层结构填充图形化衬底底部，并与图形化衬底侧面之间形成空气层间隙，可释放图形化衬底与III-V族氮化物层之间的应力，且AlN缓冲层的上表面仍保持大致平整，用于改善III-V族氮化物层的外延质量，减少晶格缺陷，提升出光效率。

进一步地，所述AlN缓冲层的厚度为0.5~5μm。

进一步地，所述底层结构的厚度不低于图形化衬底的高度。

进一步地，所述图形化衬底材料为蓝宝石、硅、碳化硅或者氮化镓。

进一步地，所述III-V族氮化物层为AlN、GaN、Al_xGa_1-xN、Al_xIn_1-xN、In_yGa_1-yN或(Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN等单层或多层结构，其中0<x<1，0<y<1。