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CN114574959A - 一种氮化物外延层制备方法及其半导体外延片 - Google Patents

一种氮化物外延层制备方法及其半导体外延片 Download PDF

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CN114574959A CN202210088147.5A CN202210088147A CN114574959A CN 114574959 A CN114574959 A CN 114574959A CN 202210088147 A CN202210088147 A CN 202210088147A CN 114574959 A CN114574959 A CN 114574959A
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Abstract

本发明公开了一种氮化物外延层制备方法及其半导体外延片，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底上生长缓冲层，其中，所述缓冲层包括通过周期性循环交替切换MO源和含氧MO源作为前驱体材料生长的氮化物缓冲层和含氧缓冲层；在缓冲层上生长氮化物外延层。本发明通过含氧MO源工艺生长含氧缓冲层，一方面原位生长含氧缓冲层具有良好的晶格失配弛豫，缓解晶格适配，释放衬底和外延层应力，可获得低位错密度的高质量氮化镓外延层，同时由于采用交替生长，提高含氧缓冲晶粒分布均匀性和成核密度，获得高质量的氮化物外延层；另一方面本发明工艺过程简单，降低衬底及外延层转移过程污染风险，重复性好，利于规模化生产。

Description

一种氮化物外延层制备方法及其半导体外延片
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮化物外延层制备方法及其半导体外延片。
背景技术
宽禁带半导体材料GaN具有击穿场强高、热导率大、电子饱和迁移速率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。
目前较成熟的制备GaN材料的MOCVD外延技术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，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。
在MOCVD外延技术中，MO源前驱体材料是外延生长半导体化合物的关键材料和掺杂剂，获取高质量外延层必须要严格控制掺杂和缺陷，一般来说MO源的纯度越高，杂质越少，其产品质量越高，在外延生长过程中尽量避免杂质的引入，在MOCVD外延生长过程中O作为非故意掺杂的杂质来源，会在氮化物外延层中引入深能级缺陷，氮化物中的存在的黄带发光是氮化物外延层生长质量较差的判断之一，一般被认为是与O有关的深能级缺陷，必须严格控制外延生长O杂质的引入，目前MO源前驱体材料合成工艺过程中，为获得高纯MO前驱体，必须对MO源前驱体材料进行提纯，去除O等杂质，然而提纯工艺对设备密闭性要求高、安全性差、存在安全隐患等，加大MO源制备成本，所以评价MO源前驱体材料质量好坏最根本的是看使用该MO源外延所得产品的光电性能的好坏，是否满足器件性能要求以及成本的高低。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮化物外延层制备方法及其半导体外延片，提高异质外延衬底氮化物半导体器件性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化物外延层制备方法，包括以下步骤：
S1：提供衬底；
S2：在所述衬底上生长缓冲层，其中，所述缓冲层包括通过周期性循环交替切换MO源和含氧MO源作为前驱体材料生长的氮化物缓冲层和含氧缓冲层；
S3：在缓冲层上生长氮化物外延层。
作为本发明的进一步改进，所述含氧MO源包括含氧三甲基镓、含氧三乙基镓、含氧三甲基铝、含氧三乙基铝中的一种或几种。
作为本发明的进一步改进，所述MO源的纯度大于等于99.9999％，所述含氧MO源的含氧量为5-50000ppm。
作为本发明的进一步改进，所述含氧缓冲层为氮氧化铝层或氮氧化镓层，所述氮化物缓冲层为氮化铝层或氮化镓层。
作为本发明的进一步改进，所述含氧三甲基镓或三乙基镓中的O和镓键链接，或O和C键链接；所述含氧三甲基镓或三乙基镓为OH基取代甲基和Ga键链接、或O键链接两个Ga键、或O取代甲基H所构成；
所述含氧三甲基铝或三乙基铝中的O和铝键链接，或O和C键链接；所述含氧三甲基铝或三乙基铝为OH基取代甲基和铝键链接、或为O键链接两个Al键、或为O取代甲基H所构成。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2的生长条件为温度500-1000℃、生长压力50-650torr下，MO源和含氧MO源前驱体材料切换周期为1-40个周期，所述MO源和含氧MO源前驱体材料切换周期与所述氮化物的外延层厚度成负相关。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3的生长条件为温度1000-1200℃、生长压力50-650torr下，生长1μm-10μm的氮化物外延层。
作为本发明的进一步改进，所述含氧缓冲层的生长厚度为2-5nm，所述氮化物缓冲层的生长厚度为3-10nm；其中，所述氮化物缓冲层的厚度大于含氧缓冲层的厚度。
一种氮化物半导体外延片，包括氮化物外延层及设置在所述氮化物外延层上的外延结构，所述氮化物外延层按如上所述的方法制得。
作为本发明的进一步改进，所述外延结构为LED外延结构，所述LED外延结构包括沿远离衬底表面方向上依次设置的n氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层和p型氮化物层，其中，所述氮化物多量子阱发光层为交替设置的氮化物量子阱层和氮化物量子垒层。
所述LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
在氮化物外延层上生长1-4μm的n型氮化物层，其中，生长温度1000-1200℃、生长压力100-400torr，Si的掺杂浓度1×1018-1×1019cm-3，生长气氛为H2气氛；
在n型氮化物层上生长氮化物多量子阱发光层，其中，生长压力100-400torr条件下，氮化物多量子阱发光层为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，发光层重复周期1-20，氮化物量子阱层的厚度为1-6nm，生长温度700-900℃，氮化物垒的厚度为6-20nm，生长温度750-1000℃；
在氮化物多量子阱发光层上生长10-50nm的p氮化物电子阻挡层，其中，生长温度800-1100℃、生长压力50-200torr下，生长气氛为N2气氛；
在p型氮化物电子阻挡层上生长20-200nm的p氮化物层，其中，生长温度900-1100℃、生长压力200-400torr，Mg掺杂浓度为1×1019-5×1020cm-3，生长气氛切换为H2气氛。
本发明的有益效果：本发明通过周期性循环交替切换MO源前驱体材料和含氧MO源前驱体材料生长缓冲层，一方面可以利用含氧缓冲层的晶格常数对衬底和氮化物外延层晶格失配弛豫，缓解衬底和氮化物外延层晶格失配，释放衬底和氮化物外延层应力，同时由于采用交替生长，利用衬底和氮化物缓冲层表面能之间的差异，提高含氧缓冲晶粒分布均匀性和成核密度，获得高质量的氮化物外延层，另一方面通过切换含氧MO源前驱体材料，不用再通过其他设备引入氧源，可以避免CVD、MBE等生长缓冲层然后衬底转移到MOCVD设备，降低衬底及外延层转移过程污染风险，重复性好，利于规模化生产。
附图说明
图1是本发明制备氮化物外延层流程图；
图2是本发明实施例一制备的外延层OM表面效果图；
图3是本发明对比例一制备的外延层OM表面效果图；
图4是本发明对比例二制备的外延层OM表面效果图；
图5是本发明实施例二制备的外延层OM表面效果图；
图6是本发明对比例三制备的外延层OM表面效果图；
图7是本发明实施例三制备的外延层OM表面效果图；
图8是本发明对比例四制备的外延层OM表面效果图；
图9是本发明实施例四制备的氮化镓基LED外延片结构示意图；
图中标号说明：1、蓝宝石衬底；2、缓冲层；21、含氧缓冲层；22、氮化物缓冲层；3、氮化镓外延层；4、nGaN层；5、多量子阱发光层；51、InGaN量子阱层；52、GaN量子垒层；6、pAlGaN电子阻挡层；7、pGaN层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供了一种氮化物外延层制备方法，包括以下步骤：
S1：提供衬底；
S2：在所述衬底上生长缓冲层，其中，所述缓冲层包括通过周期性循环交替切换MO源和含氧MO源作为前驱体材料生长的氮化物缓冲层和含氧缓冲层；
S3：在缓冲层上生长氮化物外延层。
具体的，MOCVD反应腔内，制备方法包括以下步骤：
1)提供衬底，在温度900～1200℃、生长压力50～650torr条件下，H2氛围热处理1～10min；
2)在衬底上，在温度500～1000℃、生长压力50～650torr条件下，生长10～100nm的缓冲层，其中：所述缓冲层生长包括步骤：
生长厚度为2-5nm的含氧缓冲层，生长所需的源为含氧MO源；
生长厚度为3-10nm的氮化物缓冲层，生长所需的MO源为高纯MO源；
其中，所述氮化物缓冲层的厚度大于含氧缓冲层的厚度，更有利于提高含氧缓冲晶粒分布均匀性和成核密度；
重复上述交替生长含氧缓冲层和氮化物缓冲层，重复周期为1-40，形成缓冲层；
循环周期主要影响的是缓冲层厚度，在本发明氮化物外延层厚度1～10μm范围内，考虑到缓冲层厚度对外延层表面形貌的影响，在具体实际工艺中随着氮化物外延层厚度增加，循环周期数目逐渐减小，具体地，外延层厚度从1μm增加到到10μm，循环周期数据从40减小到1，循环周期过大(＞40)在缓冲层生长结束，在衬底表面形成成核中心过于密集，氮化物外延层生长过程中位错来不及改变走向以至于延伸至氮化物外延层中，反而使得氮化物外延层晶体质量降低；
3)在含氧缓冲层上，温度1000～1200℃、生长压力50～650torr条件下，生长1μm～10μm的氮化物外延层。
本发明通过MOCVD外延技术，在基本工艺基础上，采用含氧MO源前驱体材料在缓冲层中引入O，由于O原子半径小于N原子半径，O原子的引入缓冲层整体晶格常数减小，使得衬底和缓冲层之间的应力增大，在氮化物外延层生长前使得应力在衬底和缓冲之间提前释放，从而降低氮化物外延层生长时应力，同时，利用含氧MO源前驱体材料生长，无需额外对前驱体材料进一步提纯去除O，在满足外延工艺要求的前提下，降低了生产成本，再者，不用再通过其他设备引入氧源，可以避免CVD、MBE等生长缓冲层然后衬底转移到MOCVD设备，降低衬底及外延层转移过程污染风险，重复性好，利于规模化生产。
通常采用蓝宝石衬底异质外延生长GaN材料，而蓝宝石衬底经过化学机械抛光后衬底表面存在亚表面损伤，导致蓝宝石表面上同一晶面呈现各向异性，从而O原子在蓝宝石衬底上分布不均，本发明采用的交替生长利用衬底和氮化物缓冲层表面能之间的差异，在衬底和氮化物缓冲层上提供不同位置分布的含氧缓冲层成核中心，并且随着循序交替切换含氧MO源前驱体生长每次切换时衬底和氮化物缓冲层间的应力不同，使得在每层氮化物缓冲层上形成不同位置分布的含氧缓冲层成核中心，从而提高含氧缓冲晶粒分布均匀性和成核密度，可以获得高质量的氮化物外延层。
进一步地，含氧MO源包括包括含氧三甲基镓(TMG)、含氧三乙基镓(TEG)、含氧三甲基铝(TMAl)、含氧三乙基铝(TEAl)中的一种或两种以上，含氧MO源结合原理：含氧三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)中O可以和镓键链接，也可以和C键链接，可以为单分子结构、线性结构或是环状或簇状结构，可以为OH基取代甲基和Ga键链接、也可以为O键链接两个Ga键或是O取代甲基H所构成；含氧三甲基铝(TMAl)或三乙基铝(TEAl)中O可以和铝键链接，也可以和C键链接，可以为单分子结构、线性结构或是环状或簇状结构，可以为OH基取代甲基和铝键链接、也可以为O键链接两个Al键或是O取代甲基H所构成。
进一步地，所述MO源纯度大于等于99.9999％，含氧MO源氧含量5-50000ppm，这里注意含氧量不宜过高以免影响生长外延层的性质。
进一步地，含氧缓冲层可以为氮氧化铝层(AlON)或氮氧化镓层(GaON)，所述氮化物缓冲层为氮化铝层(AlN)或氮化镓层(GaN)。
进一步地，基于上述原理，本发明氮化物外延层至少包括AlxInyGa1-x-yN氮化物外延层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。
本发明还提供一种氮化物半导体外延片，包括氮化物外延层及设置在氮化物外延层上的外延结构，氮化物外延层按如上所述的方法制得。
例如本发明提供一种氮化物LED外延片，包括氮化镓外延层及设置在氮化镓外延层上的外延结构，氮化镓外延层按如上所述的方法制得，其中：
LED外延结构包括沿远离衬底表面方向上依次设置的nGaN层、氮化物多量子阱发光层、pAlGaN电子阻挡层和pGaN层，其中，所述氮化物多量子阱发光层为交替设置的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。
具体的，LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
在氮化镓外延层上生长1-4μm的nGaN层，其中，生长温度1000-1200℃、生长压力100-400torr，Si的掺杂浓度1×1018-1×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛；
在nGaN层上生长InGaN/GaN多量子阱发光层，其中，生长压力100-400torr条件下，InGaN/GaN多量子阱发光层为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期1-20，InGaN量子阱层的厚度为1-6nm，生长温度700-900℃，GaN垒的厚度为6-20nm，生长温度750-1000℃；
在InGaN/GaN多量子阱发光层上生长10-50nm的pAlGaN电子阻挡层，其中，生长温度800-1100℃、生长压力50-200torr下，生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl，生长气氛为N2气氛；
在pAlGaN电子阻挡层上生长20-200nm的pGaN层，其中，生长温度900-1100℃、生长压力200-400torr，Mg掺杂浓度为1×1019-5×1020cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛切换为H2气氛。
实施例一
本实施例为通过含氧TMG源和TMG源交替生长GaON、GaN缓冲层与对比例1和对比例2分别制备氮化镓外延层作为对比说明效果，其中，所有制备环境均置于MOCVD反应腔内。
本实施例通过含氧TMG源和TMG源交替生长GaON、GaN缓冲层制备氮化镓外延层，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，周期性交替生长20个周期的厚度为3nm的GaON缓冲层和厚度为5nm的GaN缓冲层，生长GaON缓冲层所需的Ga源为含氧TMG源，生长GaN缓冲层切换为TMG源，生长气氛为N2气氛；
3)在缓冲层上，温度1080℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛。
对比例1：通过含氧量小于1ppm的TMG源生长GaN缓冲层制备氮化镓外延层，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，生长20nm的GaN缓冲层，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛为N2气氛；
3)在GaN缓冲层上，温度1080℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛。
如图2和图3所示，分别为实施例一和对比例1制备的非故意掺杂GaN外延层OM表面，可以看出，实施一OM表面比较平整，而对比例1中OM表面粗糙有较多的小颗粒分布，因为GaON作为缓冲层具有良好的晶格失配弛豫，缓解晶格适配，释放蓝宝石衬底和外延层应力，同时，通过循环生长缓冲层，每层的应力不同表面能不同，成核点分布也不一样，整体上含氧缓冲层成核点会更均匀，后续GaN外延层表面会更平整，提高氮化物层晶体质量，同时扩大外延生长工艺窗口，提高工艺稳定性。
对比例2：只采用含氧TMG源生长GaON缓冲层制备氮化镓外延层，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，采用含氧TMG源生长厚度为160nm的GaON缓冲层，生长气氛为N2气氛；
3)在缓冲层上，温度1080℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛。
如图4所示，从OM表面看出只生长GaON缓冲层表面呈现大的黑点团聚，GaON缓冲层并不能缓解晶格适配，原因可能在于GaOH成核密度低和成核中心分布均匀性差，在GaN外延层二维生长过程中不能地形成平整的外延表面，位错延伸至GaN外延层表面。
实施例二
本实施例为通过含氧TMG源和TMG源交替生长GaON与GaN缓冲层与含氧量小于1ppm的纯TMG源生长缓冲层来分别制备氮化镓外延层作为对比说明效果，与实施例一不同之处在于，制备氮化镓外延层的生长温度不同，其中，所有制备环境均置于MOCVD反应腔内。
本实施例通过含氧TMG源和TMG源交替生长GaON、GaN缓冲层制备氮化镓外延层，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，周期性交替生长20个周期的厚度为3nm的GaON缓冲层和厚度为5nm的GaN缓冲层，生长GaON所需的Ga源为含氧TMG源，生长GaN缓冲层切换为TMG源，生长气氛为N2气氛；
3)在缓冲层上，温度1020℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛。
对比例3：通过含氧量小于1ppm的TMG源生长GaN缓冲层制备氮化镓外延层，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，生长20nm的GaN缓冲层，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛为N2气氛；
3)在GaN缓冲层上，温度1020℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛。
如图5和图6所示，分别为实施例二和对比例3制备的非故意掺杂GaN外延层OM表面，GaN外延层生长温度降低到接近1000℃，从OM表面可以看出，实施例二的表面仍旧比较平整光滑，而对比例3的表面出现大量黑点缺陷。
实施例三
本实施例为通过含氧TMG源和TMG源交替生长GaON、GaN缓冲层与含氧量小于1ppm的纯TMG源生长缓冲层来分别制备氮化镓外延层作为对比说明效果，与实施例一不同之处在于，制备氮化镓外延层的生长温度不同，其中，所有制备环境均置于MOCVD反应腔内。
本实施例通过含氧TMG源和TMG源交替生长GaON、GaN缓冲层制备氮化镓外延层，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，周期性交替生长20个周期的厚度为3nm的GaON缓冲层和厚度为5nm的GaN缓冲层，生长GaON所需的Ga源为含氧TMG源，生长GaN缓冲层切换为TMG源，生长气氛为N2气氛；
3)在缓冲层上，温度1200℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛。
对比例4：通过含氧量小于1ppm的TMG源生长GaN缓冲层制备氮化镓外延层，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，生长20nm的GaN缓冲层，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛为N2气氛；
3)在GaN缓冲层上，温度1200℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛。
如图7和图8所示，分别为实施例三和对比例3制备的非故意掺杂GaN层OM表面，GaN外延层生长温度升到1200℃，从OM表面看出，实施例三的表面仍旧比较平整光滑，而对比例3的表面出现大量高温划痕缺陷。
从实施例一、实施例二、实施例三和对比例1、对比例2、对比例3和对比例4看出，因为GaON作为缓冲层，具有良好的晶格失配弛豫，缓解晶格适配，释放蓝宝石衬底和外延层应力，同时，通过循环生长缓冲层，每层的应力不同表面能不同，成核点分布也不一样，引入O同时可以提高成核均匀性，后续GaN外延层表面会更平整，从而提高氮化物层晶体质量，扩大外延生长工艺窗口，提高工艺稳定性。
实施例四
本实施例为通过含氧TMAl源和TMAl源交替生长的AlON、AlN缓冲层与对比例5和对比例6生长缓冲层分别制备的氮化镓外延层为基础，分别制备出LED外延片，最终通过LED外延片的效果来说明不同缓冲层制备的氮化镓外延层的质量效果，其中，所有制备环境均置于MOCVD反应腔内。
本实施例过含氧TMAl源和TMAl源交替生长的AlON、AlN缓冲层最终制备LED外延片，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，周期性交替生长20个周期的厚度为3nm的AlON缓冲层和厚度为5nm的AlN缓冲层，生长AlON所需的Al源为含氧TMAl源，生长AlN缓冲层切换Al源为TMAl源，纯度大于等于99.9999％，氧含量5-50000ppm，生长气氛为N2气氛；
3)在AlON缓冲层上，温度1080℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛；
4)在非掺杂GaN层上，温度1060℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的nGaN层，Si的掺杂浓度8×1018cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛；
5)在nGaN层上，温度750℃、生长压力250torr条件下，生长InGaN/GaN多量子阱发光层，为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期9，InGaN量子阱层的厚度为3nm，GaN垒的厚度为12nm；
6)在InGaN/GaN量子阱发光层上，温度850℃、生长压力200torr条件下，生长一层厚度为25nm的pAlGaN电子阻挡层，生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl，生长气氛为N2气氛；
7)在pAlGaN电子阻挡层上，温度930℃、生长压力200torr条件下，生长150nm的pGaN层，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛切换为H2气氛，完成LED外延片的制备。
基于上述步骤，制备出如图8所示的LED外延片，LED外延片包括蓝宝石衬底1、缓冲层2、GaN层3以及沿远离蓝宝石衬底1表面方向上依次设置的nGaN层4、多量子阱发光层5、pAlGaN电子阻挡层6和pGaN层7，其中，多量子阱发光层5为交替设置的InGaN量子阱层51和GaN量子垒层52，缓冲层2为交替生长的含氧缓冲层21和氮化物缓冲层22。
对比例5：通过不含氧的TMAl源生长AlN缓冲层最终制备LED外延片，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，生长20nm的AlN缓冲层，生长所需的Al源为TMAl源，生长气氛为N2气氛；
3)在AlN缓冲层上，温度1080℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛；
4)在非掺杂GaN层上，温度1060℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的nGaN层，Si的掺杂浓度8×1018cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛；
5)在nGaN层上，温度750℃、生长压力250torr条件下，生长InGaN/GaN多量子阱发光层，为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期9，InGaN量子阱层的厚度为3nm，GaN垒71的厚度为12nm；
6)在InGaN/GaN量子阱发光层上，温度850℃、生长压力200torr条件下，生长一层厚度为25nm的pAlGaN电子阻挡层，生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl，生长气氛为N2气氛；
7)在pAlGaN电子阻挡层上，温度930℃、生长压力200torr条件下，生长150nm的pGaN层，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛切换为H2气氛，完成LED外延片的制备。
如下表格，为实施例四和对比例5制备出的LED外延片性质数据：
Figure BDA0003488576110000141
由上表格可以看出，因为AlON作为缓冲层，具有良好的晶格失配弛豫，缓解晶格适配和热适配，释放蓝宝石衬底和外延层应力，同时，通过循环生长缓冲层，每层的应力不同表面能不同，成核点分布也不一样，整体上含氧缓冲层成核点会更均匀，后续GaN外延层表面会更平整，从而提高氮化物层晶体质量，降低氮化物量子阱应力，提高了发光波长均匀性，降低了量子阱发光层激化效应，增加电子和空穴辐射复合几率，提高LED亮度，同时在大电流测试条件下具有更优良的droop性能。
对比例6：采用物理气相沉积(PVD)溅射周期生长缓冲层最终制备LED外延片，包括以下步骤：
1)提供蓝宝石衬底，H2氛围热处理5min；
2)在蓝宝石衬底上，温度540℃、生长压力300torr条件下，采用物理气相沉积(PVD)溅射周期性交替生长20个周期的厚度为3nm的AlON缓冲层和厚度为5nm的AlN缓冲层；
3)在AlON缓冲层上，温度1080℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的非故意掺杂GaN层，所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛；
4)在非掺杂GaN层上，温度1060℃、生长压力200torr条件下，生长3μm的nGaN层，Si的掺杂浓度8×1018cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛为H2气氛；
5)在nGaN层上，温度750℃、生长压力250torr条件下，生长InGaN/GaN多量子阱发光层，为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期9，InGaN量子阱层的厚度为3nm，GaN垒的厚度为12nm；
6)在InGaN/GaN量子阱发光层上，温度850℃、生长压力200torr条件下，生长一层厚度为25nm的pAlGaN电子阻挡层，生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl，生长气氛为N2气氛；
7)在pAlGaN电子阻挡层上，温度930℃、生长压力200torr条件下，生长150nm的pGaN层，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，生长气氛切换为H2气氛，完成LED外延片的制备。
经测试外延各项数据与实施例四基本相当，但是对比例6连续生长(run-to-run)漏电性能波动较大，连续5个run的平均漏电增大0.1μA，漏电性能良率偏低5％，抗静电释放ESD性能低3％，原因主要在于经过PVD溅射后转移到MOCVD反应腔过程外延层particle污染形成漏电通道。
进一步地，基于上述原理，本发明还可以生长其他氮化镓基半导体外延片，例如HEMT、FET、LD、HBT外延结构等。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：提供衬底；
S2：在所述衬底上生长缓冲层，其中，所述缓冲层包括通过周期性循环交替切换MO源和含氧MO源作为前驱体材料生长的氮化物缓冲层和含氧缓冲层；
S3：在缓冲层上生长氮化物外延层。
2.如权利要求1所述的一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：所述含氧MO源包括含氧三甲基镓、含氧三乙基镓、含氧三甲基铝、含氧三乙基铝中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：所述MO源的纯度大于等于99.9999％，所述含氧MO源的含氧量为5-50000ppm。
4.如权利要求1所述的一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：所述含氧缓冲层为氮氧化铝层或氮氧化镓层，所述氮化物缓冲层为氮化铝层或氮化镓层。
5.如权利要求2所述的一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：所述含氧三甲基镓或三乙基镓中的O和镓键链接，或O和C键链接；所述含氧三甲基镓或三乙基镓为OH基取代甲基和Ga键链接、或O键链接两个Ga键、或O取代甲基H所构成；
所述含氧三甲基铝或三乙基铝中的O和铝键链接，或O和C键链接；所述含氧三甲基铝或三乙基铝为OH基取代甲基和铝键链接、或为O键链接两个Al键、或为O取代甲基H所构成。
6.如权利要求1所述的一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：所述步骤S2的生长条件为温度500-1000℃、生长压力50-650torr下，MO源和含氧MO源前驱体材料切换周期为1-40个周期，所述MO源和含氧MO源前驱体材料切换周期与所述氮化物的外延层厚度成负相关。
7.如权利要求1所述的一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：所述步骤S3的生长条件为温度1000-1200℃、生长压力50-650torr下，生长1μm-10μm的氮化物外延层。
8.如权利要求1-7中任一项所述的一种氮化物外延层制备方法，其特征在于：所述含氧缓冲层的生长厚度为2-5nm，所述氮化物缓冲层的生长厚度为3-10nm；其中，所述氮化物缓冲层的厚度大于含氧缓冲层的厚度。
9.一种氮化物半导体外延片，其特征在于：包括氮化物外延层及设置在所述氮化物外延层上的外延结构，所述氮化物外延层按权利要求1-8中任一项所述的方法制得。
10.如权利要求9所述的一种氮化物半导体外延片，其特征在于：所述外延结构为LED外延结构，所述LED外延结构包括沿远离衬底表面方向上依次设置的n氮化物层、氮化物多量子阱发光层、p型氮化物电子阻挡层和p型氮化物层，其中，所述氮化物多量子阱发光层为交替设置的氮化物量子阱层和氮化物量子垒层。
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