[发明专利]一种防裂纹的AlN外延层制造方法

说明书

本发明提供了一种防裂纹的AlN外延层制造方法，属于半导体光电子技术领域，衬底上刻蚀有凹陷结构，缓冲层在该凹陷结构中生长，在缓冲层上生长AlN外延层。本发明可以对边缘区域的面积进行调整控制，因此可以获得大面积无裂纹AlN外延层；衬底边缘区域可以形成裂纹阻断结构，阻止裂纹向中心区域延伸，提高AlN表面良率；中心凹陷区域的AlN和两侧AlN结合生长，形成晶格排列致密的AlN外延层，消除了一些不完整的断键，减小应力的产生，因此进一步消除了裂纹。

技术领域

本发明涉及一种防裂纹的AlN外延层制造方法，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

深紫外LED以III-V族宽禁带半导体化合物AlGaN作为发光材料，具有小巧便携、环保安全、波长连续可调、易于设计等优点，近几年来在杀菌消毒领域备受关注。随着2020年《水俣公约》的生效以及新型冠状病毒引起人们对公共卫生的日益重视，深紫外LED的发展进入快速通道。

深紫外LED的材料体系为AlGaN材料，而AlGaN材料主要是通过在蓝宝石、SiC等异质衬底上外延获得，由于晶格常数和热膨胀系数的不匹配，导致所得到的材料缺陷密度较高，同时又由于存在较大的张应力，导致AlGaN材料龟裂。由于AlN的晶格常数小于AlGaN，当在蓝宝石衬底上采用AlN模板生长AlGaN时，AlGaN层会受到一定程度的压应力而不易龟裂。这就很好地释放了AlGaN材料中的张应力。并且AlN具有较大的带隙宽度，对波长大于200nm 的紫外光完全透明。同时由于AlN优良的热稳定性和热导性能，AlN作为基板可以显著提高Ⅲ族氮化物的晶体质量和降低缺陷密度，所以，高质量的AlN模板可以大大改善AlGaN材料质量，从而进一步提高深紫外光电子器件的性能。因此，为了保证AlGaN基高性能深紫外光器件的独特优势，关键基础之一是制备出高质量的AlN外延薄膜。

本申请的发明人发现：虽然AlN具有诸多优点，但是制备高质量AlN材料却非常困难。由于Al原子黏附系数大，迁移率低，通常制备AlN需要高温高压设备以及精准的源流量控制系统；一般情况下，AlN薄膜的晶体质量与厚度成正比。而当制备的AlN薄膜到一定厚度时，由于AlN和衬底之间具有较大的晶格常数失配以及热失配，因此容易形成表面裂纹，且随着厚度的增加，产生的张应力越大，裂纹从边缘区域往中心区域延伸更严重，从而极大地影响良率。为了获得晶体质量较高的AlN薄膜，需要增加薄膜层的厚度，但容易引入裂纹而导致良率较差；而为了获得较高的表面良率，降低AlN薄膜层的厚度，又会导致AlN薄膜的晶体质量较差，这种AlN薄膜生长的矛盾，使得目前不能获得高质量的无裂纹AlN薄膜，从而导致AlN薄膜的应用受到了非常大的限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种防裂纹的AlN外延层制造方法，该防裂纹的AlN外延层制造方法基于特殊衬底的设计，使得应力得到非常好的释放，不产生裂纹，所以AlN外延层的生长工艺将更加简单，只需要一层低温缓冲层，随后直接高温连续生长AlN层，而不需要复杂的结构设计，生长条件更加简单可控。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种防裂纹的AlN外延层制造方法，衬底上刻蚀有凹陷结构，缓冲层在该凹陷结构中生长，在缓冲层上生长AlN外延层。

所述AlN外延层顶面不低于衬底顶面。

所述缓冲层和AlN外延层均为TMAl和NH3生长反应得到。

所述缓冲层和AlN外延层生长原料相同、生长条件不同，缓冲层的生长温度低于AlN外延层的生长温度。

所述衬底和凹陷结构均为圆形；凹陷结构位于衬底的中心区域。

所述凹陷结构深度为1~50μm。

所述缓冲层的生长温度为600~1100℃，压力为50~400mbar。

所述AlN外延层的生长温度为1000~1500℃，压力为30~500mbar。