一种应力调控结构及其生长方法与流程

本发明涉及氮化镓同质外延，具体为一种应力调控结构及其生长方法。

背景技术：

1、半导体激光器是一种非常重要的激光电子器件，对比其它类型激光器具有体积小、功耗低、效率高和无污染等优势，在激光切割、激光焊接、激光显示、激光照明、激光通信和激光检测等领域有重要的应用，gan基半导体激光器又为其中的典型，通过调制algan、ingan中al、in的组分比例可以使其发光波长覆盖从紫外光到绿光，现在业内一直本着发明的主要特点是对激光器的波导结构进行了优化设计和实现，获得了更优的效果，进一步提升了gan基激光器的性能。

2、在外延gan激光器中，往往使用高al组分的algan来限制光，在gan加上生长高al组分的algan由于晶格常数和热膨胀系数的差异，algan会受到很大的张应力，最后导致出现裂纹。

3、现有技术在gan和高al组分的algan之间，插入低al组分的algan和ingan防裂层来调控应力，防止出现裂纹，低al的algan长在gan上，晶格常数差异较小，受到的应力较小，可以先弛豫部分应力，再用ingan作缓冲层进一步释放应力。

4、然而还有一种由应力导致的问题还没解决。由于在同质外延中位错较少，掺杂浓度的变化，都会引起应力波动，产生的应力不仅需要生长较厚的材料来弛豫，且应力弛豫的时间长，进而会产生位错引导的v形坑，这种v形坑会增加电子泄漏，大大降低器件的性能。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种应力调控结构及其生长方法，具备在同质外延中可以减少位错引导的v形坑，提升器件性能等优点，解决了由于在同质外延中位错较少，掺杂浓度的变化，都会引起应力波动，产生的应力不仅需要生长较厚的材料来弛豫，且弛豫弛豫的时间长，进而会产生位错引导的v形坑，这种v形坑会增加电子泄漏，大大降低器件的性能的问题。

3、(二)技术方案

4、一种应力调控结构，包括外延片，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、第一调控层、第二调控层、第三调控层、第四调控层、下限制层、下波导层、有源层和p型半导体层；

5、所述第一调控层是si渐变掺杂的3d生长层；

6、所述第二调控层是先si渐变掺杂再si恒定掺杂的2d生长层；

7、所述第三调控层是si恒定掺杂al组分渐变的低al组分层；

8、所述第四调控层是si恒定掺杂的ingan防裂层；

9、所述下限制层是si恒定掺杂的algan光限制层。

10、进一步，所述衬底为gan衬底。

11、进一步，所述第一调控层的si掺杂浓度从0.8e18atm/cm3逐渐增加到1.7e18atm/cm3，所述第一调控层的厚度为200nm-1um。

12、进一步，所述第二调控层的si掺杂浓度从1.7e18atm/cm3逐渐增加到4e18atm/cm3后保持不变，所述第二调控层的生长分为si掺杂渐变段和si掺杂恒定段，si掺杂渐变段生长的厚度小于si掺杂恒定段生长的厚度，所述第二调控层的厚度为1um-6um。

13、进一步，所述第三调控层的si掺杂浓度为2e18-5e18atm/cm3，所述第三调控层的al组分从0％开始随着生长逐渐增加到0.5％-7％(摩尔分数)，随后保持组分不变继续生长，所述第三调控层的厚度为100nm-5um。

14、进一步，所述第四调控层的si掺杂浓度为2e18-5e18atm/cm3，所述第四调控层的in组分为1％-10％，所述第四调控层的厚度为20nm-500nm，第四调控层也可以为等效的ingan/gan超晶格。

15、进一步，所述下限制层为低al组分的algan光限制层，al组分可以为2％-10％，所述下限制层的al组分大于第三调控层的平均al组分，所述下限制层的厚度为200nm-2um，所述下限制层也可以为等效的algan/gan超晶格。

16、本发明要解决的另一技术问题是提供一种应力调控结构的生长方法，包括以下步骤：

17、1)清理衬底；

18、2)衬底清洁后，生长厚度为200nm-1um的第一调控层，设定温度为1010℃-1050℃，压力为100torr-500torr，ⅴ/ⅲ为500-3000，si掺杂浓度从0.8e18atm/cm3逐渐增加到1.7e18atm/cm3；

19、3)第一调控层生长后，生长厚度为1um-6um的第二调控层，设定温度为1010℃-1050℃，压力为100torr-500torr，ⅴ/ⅲ为500-3000，si掺杂从1.7e18atm/cm3逐渐增加到4e18atm/cm3生长si掺杂渐变段，之后si掺杂保持不变生长si掺杂恒定段；

20、4)第二调控层生长后，生长厚度为100nm-5um的第三调控层，设定温度为1000℃-1050℃，压力为100torr-500torr，ⅴ/ⅲ为500-5000，si掺杂为2e18-5e18atm/cm3，al组分从0％开始随着生长逐渐增加到0.5％-7％，随后保持组分不变；

21、5)第三调控层生长后，生长厚度为20nm-500nm的第四调控层，设定温度为700℃-900℃，压力为100torr-600torr，ⅴ/ⅲ为10000-50000，si掺杂为2e18-5e18atm/cm3，in组分为1％-10％；

22、6)第四调控层生长后，生长厚度为200nm-2um的下限制层，设定温度为1000℃-1050℃，压力为100torr-500torr，ⅴ/ⅲ为500-5000，si掺杂为2e18-5e18atm/cm3，al组分为2％-10％；

23、7)下限制层生长后，依次生长下波导层、有源层和p型半导体层；

24、8)生长结束后，降温至600-800℃，纯氮气氛围中退火处理1～10min，继续降到室温。

25、进一步，所述第一调控层生长的ⅴ/ⅲ小于第二调控层生长的ⅴ/ⅲ。

26、进一步，所述第三调控层分成两个阶段进行生长，前阶段为al组分渐变掺杂进行的生长，后阶段为的al组分恒定掺杂进行的生长，后阶段生长的厚度大于前阶段生长的厚度。

27、对于外延片生长完成退火后的其它工序，例如：形成电极工序、曝光刻蚀工序、形成保护膜工序以及解理工序等等，对于本领域的普通技术人员而言属于公知领域范畴，本文不做过多阐述。

28、(三)有益效果

29、与现有技术相比，本发明提供了一种应力调控结构及其生长方法，具备以下有益效果：

30、1.该应力调控结构及其生长方法，通过在衬底上设置第一调控层和第二调控层，第一调控层中的si渐变掺杂，第二调控层中的si掺杂在第一调控层渐变掺杂的基础上继续si渐变掺杂，之后再恒定si掺杂，使得第一调控层和第二调控层的si渐变掺杂生长阶段中的si均匀的渐变，可以减小应力的波动，将应力更均匀分散，同时设置第一调控层和第二调控层的厚度较厚，应力得到更好的调控，使得应力弛豫的时间更短，减少错位向上延续，从而达到在同质外延中可以减少位错引导的v形坑，提升器件性能的目的。

31、2.该应力调控结构及其生长方法，通过设置第三调控层和第四调控层的si掺杂浓度在生长过程中恒定不变，既可以保留第三调控层和第四调控层调控应力，防止出现裂纹的功能，还不会因为si的掺杂变化重新引起大波动的应力，设置第二调控层2d生长层，可以填补第一调控层纵向3d生长层的横向空缺，使得表面更平整，给后续的生长提供有利条件，第三调控层为al组分渐变的低al组分层可以弛豫部分应力。

技术特征：

1.一种应力调控结构，包括外延片(100)，其特征在于：所述外延片(100)的结构自下而上依次为衬底(1)、第一调控层(2)、第二调控层(3)、第三调控层(4)、第四调控层(5)、下限制层(6)、下波导层(7)、有源层(8)和p型半导体层(9)；

2.根据权利要求1所述的应力调控结构，其特征在于：所述衬底(1)为gan衬底。

3.根据权利要求1所述的应力调控结构，其特征在于：所述第一调控层(2)的si掺杂浓度从0.8e18atm/cm3逐渐增加到1.7e18atm/cm3，所述第一调控层(2)的厚度为200nm-1um。

4.根据权利要求1所述的应力调控结构，其特征在于：所述第二调控层(3)的si掺杂浓度从1.7e18atm/cm3逐渐增加到4e18atm/cm3后保持不变，所述第二调控层(3)的生长分为si掺杂渐变段和si掺杂恒定段，si掺杂渐变段生长的厚度小于si掺杂恒定段生长的厚度，所述第二调控层(3)的厚度为1um-6um。

5.根据权利要求1所述的应力调控结构，其特征在于：所述第三调控层(4)的si掺杂浓度为2e18-5e18atm/cm3，所述第三调控层(4)的al组分从0％开始随着生长逐渐增加到0.5％-7％，随后保持组分不变继续生长，所述第三调控层(4)的厚度为100nm-5um。

6.根据权利要求1所述的应力调控结构，其特征在于：所述第四调控层(5)的si掺杂浓度为2e18-5e18atm/cm3，所述第四调控层(5)的in组分为1％-10％，所述第四调控层(5)的厚度为20nm-500nm，第四调控层(5)为ingan或者为等效的ingan/gan超晶格。

7.根据权利要求1所述的应力调控结构，其特征在于：所述下限制层(6)为低al组分的algan光限制层，al组分为2％-10％，所述下限制层(6)的al组分大于第三调控层(4)的平均al组分，所述下限制层(6)的厚度为200nm-2um，所述下限制层(6)为algan或者为等效的algan/gan超晶格。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的应力调控结构的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的应力调控结构的生长方法，其特征在于：所述第一调控层(2)生长的ⅴ/ⅲ小于第二调控层(3)生长的ⅴ/ⅲ。

10.根据权利要求8所述的应力调控结构的生长方法，其特征在于：所述第三调控层(4)分成两个阶段进行生长，前阶段为al组分渐变掺杂进行的生长，后阶段为的al组分恒定掺杂进行的生长，后阶段生长的厚度大于前阶段生长的厚度。

技术总结
本发明涉及氮化镓同质外延技术领域，公开了一种应力调控结构及其生长方法，包括外延片，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、第一调控层、第二调控层、第三调控层、第四调控层、下限制层、下波导层、有源层和P型半导体层。该应力调控结构通过第一调控层中的Si渐变掺杂，第二调控层中的Si掺杂在第一调控层渐变掺杂的基础上继续Si渐变掺杂，之后再恒定Si掺杂，使得第一调控层和第二调控层的Si渐变掺杂生长阶段中的Si均匀的渐变，可以减小应力的波动，将应力更均匀分散，第一调控层和第二调控层的厚度较厚，应力得到更好的调控，使得应力弛豫的时间更短，减少错位向上延续，从而达到在同质外延中可以减少位错引导的V形坑，提升器件性能的目的。

技术研发人员：宗华,付建波,蒋盛翔,孟令海,胡晓东,罗郑彪
受保护的技术使用者：北京飓芯科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23