一种半导体外延片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种半导体外延片及其制备方法与应用。所述制备方法包括：提供包含均匀分散纳米材料的III族金属有机源混合前驱体，将其至少涂覆于非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、p型氮化物层中的任一者上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后进行退火重结晶，从而形成纳米材料和III

【技术实现步骤摘要】
一种半导体外延片及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种半导体外延片及其制备方法与应用，属于半导体材料外延


技术介绍

[0002]GaN基发光二极管LED是一种半导体发光器件，具有寿命长、能耗低、体积小、可靠性高等优点，成为目前最有前景的照明光源，是先导照明技术的一个重要趋势；但其依然存在发光强度和效率低的问题，进一步提高LED的发光强度和光效是LED照明技术发展的目标。
[0003]目前GaN基半导体材料MOCVD外延都是异质衬底上生长的外延技术，由于衬底与外延层间的晶格与热膨胀失配导致外延生长的晶体材料位错密度较高及应力较大，容易出现翘曲裂纹等现象，这些位错在器件工作时表现为非辐射复合中心而影响器件效率，同时引起漏电流增大而使器件迅速老化，影响器件的工作效率及寿命，制约了其在半导体电子领域中的应用；同时GaN材料与空气的折射系数相差较大，反射临界角较小，有源发光层只有很小一部分光射出到空气中，进一步影响光提取效率。另外，随着半导体照明与显示等市场发展，衬底需求越来越转向更大尺寸，大尺寸蓝宝石等异质衬底上GaN厚膜中残留的应力而导致的翘曲裂纹也是GaN异质外延技术难以克服的难题，波长均匀性也难以满足Micro
‑
LED的要求，这对GaN材料生长提出更大的困难与挑战。
[0004]目前GaN表面粗化技术可以发光二极管LED出光效率，主要光辅助电化学腐蚀PEC、溶液湿法腐蚀、掩膜干法刻蚀、压印光刻等；然而湿法腐蚀粗化存在各项同性、容易钻蚀和过蚀等缺点，粗化尺寸和深度受限制，对于光的有效提取作用不明显，干法刻蚀通过掩膜进行ICP刻蚀，工艺复杂，成本较高，无法精确控制掩膜尺寸和均匀性，采用直接降温生长表面粗糙的GaN层，然而降温生长直接影响GaN层的生长质量，直接影响漏电、抗静电性能。
[0005]鉴于LED照明技术中存在的发光强度和效率低的问题，同时面临异质衬底外延生长应力导致发光阱质量较差的生长技术挑战，应力导致的发光层组分布均匀问题影响波长均匀性，所以有必要提出新的外延结构改善量子阱发光层应力提高发光二极管发光强度和效率。
[0006]宽禁带半导体材料GaN具有击穿场强高、热导率大、电子饱和迁移速度快等优异的物理和化学性质，在蓝绿光LED、光探测器以及高温高频大功率器件方面有广泛的应用前景而备受关注。
[0007]近年来GaN基器件的研究取得了巨大进展，但面临许多难题，其中获得良好的欧姆接触是制备高性能GaN基器件的关键，特别是大工作电流的半导体激光器及高温大功率器件，相比n型GaN欧姆接触，p型GaN材料由于空穴浓度低、功函数高等原因较难制作低欧姆接触电阻，成为严重制约GaN基材料器件发展的因素之一。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于提出一种半导体外延片及其制备方法，以克服现有技术的不足。
[0009]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0010]本专利技术实施例提供了一种半导体外延片的制备方法，所述半导体外延片包括衬底、氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物层，所述制备方法包括：
[0011]提供包含均匀分散纳米材料的III族金属有机源混合前驱体；
[0012]将所述III族金属有机源混合前驱体至少涂覆于非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、p型氮化物层中的任一者上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后将具有III族金属有机源混合前驱体涂覆层的复合结构置于MOCVD反应腔室中，通入III族金属有机源，在V族元素源和还原性气体的混合气氛中进行退火重结晶，从而形成纳米材料和III
‑
V化合物纳米生长结构均匀分布的成核中心，得到金属有机源插入层。
[0013]在一些实施例中，所述纳米材料包括零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料中的任意一种或多种的组合。
[0014]在一些实施例中，所述III族金属有机源所含III族元素包括铟、镓、铝中的任意一种或两种以上的组合。
[0015]进一步的，所述V族元素源所含V族元素包括氮元素。
[0016]在一些实施例中，所述制备方法具体包括：
[0017]在衬底上依次生长氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层和n型氮化物层；
[0018]将所述III族金属有机源混合前驱体涂覆于n型氮化物层上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后将具有III族金属有机源混合前驱体涂覆层的复合结构置于MOCVD反应腔室中，通入III族金属有机源，在V族元素源和还原性气体的混合气氛中进行退火重结晶，从而形成纳米材料和III
‑
V族化合物纳米生长结构均匀分布的成核中心，得到金属有机源插入层；
[0019]在所述金属有机源插入层表面生长量子垒修饰层，再生长量子阱层，形成第一发光层；
[0020]以及，继续生长氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物层，制得低应力量子阱发光层的高光效半导体外延片。
[0021]在另一些实施例中，所述制备方法具体包括：
[0022]在衬底上依次生长氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物前层；
[0023]将所述III族金属有机源混合前驱体涂覆于p型氮化物前层上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后将具有III族金属有机源混合前驱体涂覆层的复合结构置于MOCVD反应腔室中，通入III族金属有机源，在V族元素源和还原性气体的混合气氛中进行退火重结晶，从而形成纳米材料和III
‑
V族化合物纳米生长结构均匀分布的成核中心，得到金属有机源插入层；
[0024]在所述金属有机源插入层表面外延生长p型氮化物后层；
[0025]以及，对所获外延结构进行退火处理，制得具有低欧姆接触p型氮化物的半导体外
延片。
[0026]在另一些实施例中，所述制备方法具体包括：
[0027]在衬底上依次生长氮化物缓冲层和非故意掺杂氮化物层；
[0028]将所述III族金属有机源混合前驱体涂覆于非故意掺杂氮化物层上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后将具有III族金属有机源混合前驱体涂覆层的复合结构置于MOCVD反应腔室中，通入III族金属有机源，在V族元素源和还原性气体的混合气氛中进行退火重结晶，从而形成纳米材料和III
‑
V族化合物纳米生长结构均匀分布的成核中心，得到金属有机源插入层；
[0029]以及，在所述金属有机源插入层上继续生长n型氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物层，制得低应力量子阱发光层的高光效半导体外延片。
[0030]本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的半导体外延片，包括衬底、氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体外延片的制备方法，所述半导体外延片包括衬底、氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物层，其特征在于，所述制备方法包括：提供包含均匀分散纳米材料的III族金属有机源混合前驱体；将所述III族金属有机源混合前驱体至少涂覆于非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、p型氮化物层中的任一者上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后将具有III族金属有机源混合前驱体涂覆层的复合结构置于MOCVD反应腔室中，通入III族金属有机源，在V族元素源和还原性气体的混合气氛中进行退火重结晶，从而形成纳米材料和III
‑
V族化合物纳米生长结构均匀分布的成核中心，得到金属有机源插入层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纳米材料包括零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料中的任意一种或多种的组合；和/或，所述混合前驱体中纳米材料与III族金属有机源的质量比小于1：1；和/或，所述纳米材料的形态包括纳米微粒、纳米线、纳米膜、纳米块体中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述纳米材料包括金属纳米材料、非金属无机纳米材料、有机化合物纳米材料中的任意一种或两种以上的组合。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述纳米材料包括Si3N4、SiO2、GaN、AlN、InN、SiC、ScAlN、Al2O3、Si、C、TiC、TiN、WC、WC
‑
C
O
、B4C、BN、TiB2、LaF3、MoS2、ZrB2、ZnS、ZnSe、ZnO、Fe3O4、Ta2O5、SnO2、TiO2、ZrO2、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Ti、Mg、Al、Ga、In、聚苯乙烯、钙钛矿、石墨烯中的任意一种或两种以上的组合，优选为SiN、SiO2、GaN、AlN、InN、SiC、ScAlN、Al2O3、Si、C、TiC、TiN、BN、ZnS、ZnSe、ZnO、TiO2、Ni、Au、Ag、Fe、Co、Mn、Ti、Mg、Al、石墨烯中的任意一种或两种以上的组合，尤其优选为所述纳米材料包括Si3N4、SiO2、GaN、AlN、SiC、ScAlN、Al2O3、TiO2、Ni、Al、Ga、石墨烯中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述纳米材料的直径为5～500nm；和/或，所述III族金属有机源所含III族元素包括铟、镓、铝中的任意一种或两种以上的组合；所述III族金属有机源包括III族有机化合物源，所述III族有机化合物源包括铟源、镓源、铝源中的任意一种或两种以上的组合；所述铟源包括三甲基铟、三乙基铟、二甲基乙基铟中的任意一种或两种以上组合，镓源包括三甲基镓、三乙基镓、三异丙基镓中的任意一种或两种以上组合，铝源包括三甲基铝、三乙基铝、二甲基烷铝、二甲基氢化铝、铝烷配合物中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述V族元素源所含V族元素包括氮元素，所述V族元素源包括氮源，所述氮源包括NH3、有机胺类化合物、阱类化合物中的任意一种或两种以上的组合；所述有机胺类化合物包括烷基胺，所述烷基胺包括叔丁基胺和/或正丙胺，所述阱类化合物包括二甲基阱；和/或，所述还原性气体包括H2；和/或，所述混合气氛中V族元素源与还原性气体的流量比为10:1～100:1。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上依次生长氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层和n型氮化物层；将所述III族金属有机源混合前驱体涂覆于n型氮化物层上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后将具有III族金属有机源混合前驱体涂覆层的复合结构置于MOCVD反应腔室中，通入III族金属有机源，在V族元素源和还原性气体的混合气氛中进行退火重结
晶，从而形成纳米材料和III
‑
V族化合物纳米生长结构均匀分布的成核中心，得到金属有机源插入层；在所述金属有机源插入层表面生长量子垒修饰层，再生长量子阱层，形成第一发光层；以及，继续生长氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物层，制得低应力量子阱发光层的高光效半导体外延片。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)提供衬底，在温度为400～600℃的生长条件下，于所述衬底上生长厚度为20～60nm的氮化物缓冲层；2)在温度为1040～1100℃、压力为100～300torr的生长条件下，于所述氮化物缓冲层上生长厚度为2～4μm的非故意掺杂氮化物层；3)在温度为1040～1070℃、压力为100～200torr的生长条件下，于所述非故意掺杂氮化物层上生长厚度为2～4μm的n型氮化物层，掺杂浓度为2
×
10
18
cm
‑3～5
×
10
19
cm
‑3；4)在N2气氛中，采用旋涂法将所述III族金属有机源混合前驱体涂覆于n型氮化物层上，在n型氮化物层上形成厚度为10nm～1000nm的III族金属有机源混合前驱体涂覆层；5)将具有III族金属有机源混合前驱体涂覆层的复合结构置于MOCVD生长设备的反应腔室中，反应腔室内的压力为100～600torr，通入III族金属有机源，所述III族金属有机源为III族有机化合物源，使所述反应腔室升温至500～1200℃，并通入V族元素源和还原性气体进行退火重结晶10s～100s，然后生长得到厚度为1～100nm的金属有机源插入层；6)在温度为700～950℃、压力为50～350torr的生长条件下，于所述金属有机源插入层表面形成厚度为10nm～500nm的量子垒修饰层；然后生长厚度为2～6nm的量子阱层，形成第一发光层；7)在温度为750～900℃、压力为100～300torr的生长条件下，于所述量子阱层上生长氮化物多量子阱发光层，所述氮化物多量子阱发光层包括周期性重复交替生长的氮化物量子阱层和氮化物量子垒层，生长周期为1～20，所述氮化物量子阱层的厚度为2～6nm，所述氮化物量子垒层的厚度为6～20nm；8)在温度为800～1000℃、压力为100～400torr的生长条件下，于所述氮化物多量子阱发光层上生长厚度为15～150nm的p型氮化物电子阻挡层；9)在温度为800～1000℃、压力为100～400torr的生长条件下，于所述p型氮化物电子阻挡层上生长厚度为20～200nm的p型氮化物层，掺杂浓度为1
×
10
18
cm
‑3～5
×
10
20
cm
‑3；和/或，所述衬底包括蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌或氮化镓；和/或，所述氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物层的材质包括GaN、AlN、InN、InGaN、AlInN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述制备方法包括：采用横向外延生长工艺生长所述量子垒修饰层；和/或，所述制备方法包括：采用纵向外延结合横向外延生长工艺生长所述量子垒修饰层。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上依次生长氮化物缓冲层、非故意掺杂氮化物层、n型氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层、p型氮化物前层；
将所述III族金属有机源混合前驱体涂覆于p型氮化物前层上，得到III族金属有机源混合前驱体涂覆层，之后将具有III族金...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫其昂，王国斌，
申请(专利权)人：江苏第三代半导体研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：