CN102394261B - 在蓝宝石图形衬底上外延生长氮化物外延膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种在蓝宝石图形衬底上外延生长高质量氮化物外延膜的方法，利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法，采用两步生长工艺，通过优化生长条件，首先控制GaN在蓝宝石图形衬底上进行合适三维生长，然后转换为二维生长，以获取高质量的氮化物外延膜。此方法充分利用蓝宝石图形衬底的特点，获得的氮化物外延膜具有位错密度低，表面为镜面，XRD半宽低等特点。而且采用这种方法进行氮化物外延，生长窗口宽，适用于高质量氮化物外延膜商业化生长。

Description

在蓝宝石图形衬底上外延生长氮化物外延膜的方法

技术领域

本发明属于半导体光电技术领域，特别是指一种在蓝宝石图形衬底上外延生长高质量氮化物外延膜的方法。

背景技术

氮化镓（GaN）基LED作为固态光源一经出现便以其高效、长寿命、环保等优点，被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明历史上的第二次革命，成为国际上半导体和照明领域研发和产业关注的焦点。但目前GaN基LED进入通用照明领域，在技术和成本是还面临诸多难题。

目前蓝宝石衬底是商业上氮化物异质外延生长最为常用的衬底之一。采用图形化蓝宝石衬底可以增加光在LED内部的全反射，进而提高LED的光提取效率。相比于普通的蓝宝石平面衬底，在蓝宝石图形衬底上外延生长氮化物基蓝光LED输出功率可以提高30%~100%。目前商业上用的高亮度氮化物基蓝光LED外延片大部分是在蓝宝石图形衬底上外延生长取得的。采用图形间距窄的图形衬底，例如图形间距为1μm，其获得的输出功率最高。但是在这种窄间距图形衬底上外延生长氮化物，其生长窗口小，对温度波动敏感，在商业化生产过程中容易出现由于MOCVD系统温度波动造成外延膜表面毛糙等一系列问题。因此在蓝宝石图形衬底上获得具有表面为镜面、生长窗口宽的高质量氮化物外延膜存在困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高质量的在蓝宝石图形衬底上外延生长氮化物外延膜的方法。

本发明技术方案包括以下步骤：

1）在蓝宝石图形衬底上，采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法生长一低温缓冲层，所述生长温度为400℃～600℃，厚度为5nm～100nm；

2）升温到950℃～1100℃条件下再结晶，在蓝宝石衬底上形成籽晶；

3）在Ga和N的摩尔比为500～1200︰1、生长温度为900℃～1020℃、压力为300～600mbar的条件下，生长500s～2000s；可使得GaN处于岛状生长模式，进行充分的三维生长，并没过图形顶部；

4）在Ga和N的摩尔比为1000～2000︰1、生长温度为1020℃～1070℃、压力为100～500mbar的条件下，生长100s～4000s。可使得GaN生长模式从岛状生长模式转向二维生长模式，让GaN在图形衬底顶部闭合，形成连续的GaN外延膜。

本发明首先通过控制生长条件（温度、压力、Ga和N的摩尔比以及生长时间），一开始进行以纵向生长为主的三维生长并使GaN没过图形顶部；然后优化生长条件，使得三维生长模式转换二维生长模式，让GaN在图形顶部充分闭合，以获得高质量的氮化物外延膜。此方法充分利用图形衬底的特点，原理类似于横向外延（ELOG），在控制由三维生长模式转向二维生长模式时，可以使得大部分位错转向，降低位错密度；同时通过控制闭合速度，充分释放由GaN和蓝宝石晶格失配引起的应力，以提高晶体质量；通过优化三维生长条件，控制三维生长后的形貌，可以拓宽GaN生长窗口。因此采用此方法获得的氮化物外延膜具有位错密度低，表面为镜面，XRD半宽低以及生长窗口宽等特点，特别适合在商业上采用，具有很高实用价值。

本发明采用两步生长工艺，通过优化生长条件，控制GaN在蓝宝石图形衬底上三维生长然后转向二维生长，以获得高质量的氮化物外延膜。本发明充分利用蓝宝石图形衬底的特点，获得的氮化物外延膜具有位错密度低，表面为镜面，XRD半宽低等特点。而且采用这种方法进行氮化物外延，生长窗口宽，适用于高质量氮化物外延膜商业化生长。

另，本发明蓝宝石图形衬底的图形规格直径为1.5μm～3μm，间距为0.5μm～1.5μm ，高度为 1μm～2μm。

优选的蓝宝石图形衬底的图形规格直径为2μm，间距为1μm ，高度为 1μm。

附图说明

图1是蓝宝石图形衬底的剖面示意图。

图2是在蓝宝石图形衬底生长低温缓冲层剖面示意图。

图3是在蓝宝石图形衬底生长低温缓冲层经过在结晶后形成籽晶剖面示意图。

图4是GaN在蓝宝石图形衬底经过第一步岛状生长形成的剖面示意图。

图5是GaN在蓝宝石图形衬底闭合形成的连续外延薄膜的剖面示意图。1为蓝宝石衬底图形，5为连续GaN外延膜。

具体实施案例

利用MOCVD设备（Aixtron公司的Crius 31片商用机），采用直径D为2μm、图形间距S为1μm、图形高度H为1μm蓝宝石图形衬底1，如图1所示。

首先生长一GaN低温缓冲层，生长温度为530℃，最后在蓝宝石图形衬底1一侧形成厚度为30nm的低温缓冲层2。如图2所示。

然后升高温度到1030℃进行再结晶，在蓝宝石图形衬底上成核。如图3所示，在蓝宝石衬底1上形成籽晶3。

降低温度到990℃，控制Ga和N的摩尔比为675︰1，生长时间为1000s，使GaN进行充分的岛状生长形在外延形貌4，并没过蓝宝石衬底1的图形顶部，其形貌如图4所示。

接着升高温度到1040℃，控制Ga和N的摩尔比为1200︰1。此时GaN处于二维生长模式，以横向生长为主，并在蓝宝石衬底1顶部闭合，形成连续的GaN外延膜5，如图5所示。

得到的GaN外延膜表面为镜面，没有微坑，XRD测量得到的（002）和（102）半宽均小于300arcsec，说明晶体质量好。通过上下调整生长温度进行生长窗口测试，三维生长以及二维生长温度同时升高20℃以及同时降低20℃，其他生长参数不变，均能够获得高质量的GaN外延膜，证明采用本方法外延生长GaN外延膜具有很宽的生长窗口，温度窗口大于40℃。

上述实施案例描述了一种在蓝宝石图形衬底上外延生长氮化物外延膜的方法。此方法充分利用蓝宝石图形的特点，控制GaN在蓝宝石图形上三维生长以及二维生长，降低位错，释放应力。而且该方法克服了常规生长工艺在蓝宝石图形上外延GaN生长温度窗口窄的特点，非常适用于商业化生产，提高产品稳定性。

Claims (1)

1.在蓝宝石图形衬底上外延生长氮化物外延膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在直径D为2μm、图形间距S为1μm ，图形高度H为 1μm的如图1所述形貌的蓝宝石图形衬底上，采用金属有机物化学气相沉积法在图形间距S处生长一GaN低温缓冲层，所述生长温度为400℃～600℃，厚度为5nm～100nm；

2）升温到950℃～1100℃条件下再结晶，在蓝宝石衬底上形成籽晶；

3）在Ga和N的摩尔比为675︰1、生长温度为990℃、压力为300～600mbar的条件下，生长时间为500s～2000s，使GaN进行充分的岛状生长，并没过蓝宝石衬底的图形顶部；

4）在Ga和N的摩尔比为1200︰1、生长温度为1040℃、压力为100～500mbar的条件下，生长时间为100s～4000s，使GaN处于二维生长模式，以横向生长为主，并在蓝宝石衬底顶部闭合，形成连续的GaN外延膜。

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