CN102544271A

CN102544271A - 利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法

Info

Publication number: CN102544271A
Application number: CN2012100757031A
Authority: CN
Inventors: 梁萌; 李鸿渐; 姚然; 李志聪; 李盼盼; 王兵; 李璟; 伊晓燕; 王军喜; 王国宏; 李晋闽
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：采用MOCVD技术，对图形衬底进行高温处理后，降温；步骤2：在图形衬底上生长一氮化物成核层；步骤3：退火，实现成核层再结晶；步骤4：在结晶后的氮化物成核层上生长一氮化镓成核层；步骤5：第二次退火；步骤6：在氮化镓成核层上依次生长非故意掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层，得到完整外延结构。本发明能有效的提高器件的效率和使用寿命，同时该发明方法具有较大的工艺生长窗口。

Description

利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法。

技术背景

发光二极管具有节能、环保、寿命长等优点，在各国政府的重视和推广下，已经广泛的应用于LCD背光、户外显示、景观照明以及普通照明等领域。开展了人类照明史上的又一次革命。

蓝宝石衬底因为成本相对较低而成为目前氮化镓异质外延用的主流衬底。但是，由于蓝宝石和氮化镓材料之间存在很大的晶格失配和热失配，给氮化镓外延层引入大量位错和缺陷，缺陷密度高达10⁸-10¹⁰cm^-2，造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多，从而降低器件的内量子效率。蓝宝石图形化衬底技术通过在衬底表面制作周期性微结构图形，生长氮化镓外延时改变了原来的生长模式，减少了应力，并抑制外延缺陷向上延伸，改善材料质量，提高内量子效率。

针对蓝宝石图形衬底的氮化镓外延，目前通常采用的方法是：低温生长氮化物成核层后，升温退火再结晶。此时，晶核质量较差，密度很大，在此情况下生长得到氮化镓外延结构，晶体质量仍然比较差。参照图2，所描述的是传统的在蓝宝石图形衬底上生长氮化镓外延时初期的温度曲线与反射率曲线。为了提高LED器件的效率和寿命，需要进一步提高氮化镓外延质量。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其是通过引进第二成核层，进一步改善氮化镓外延层的晶体质量，提高器件的效率和寿命。

本发明提供一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：采用MOCVD技术，对图形衬底进行高温处理后，降温；

步骤2：在图形衬底上生长一氮化物成核层；

步骤3：退火，实现成核层再结晶；

步骤4：在结晶后的氮化物成核层上生长一氮化镓成核层；

步骤5：第二次退火；

步骤6：在氮化镓成核层上依次生长非故意掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层，得到完整外延结构。

该方法通过引入第二成核层，改善晶体质量，提高器件效率和寿命；同时，使用该方法在图形衬底上生长氮化镓外延时具有很宽的生长工艺窗口。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明方法的流程图。

图2是传统的在蓝宝石图形衬底上生长氮化镓外延时初期的温度曲线与反射率曲线。

图3是本发明实施例的初期温度曲线与反射率曲线。

图4是本发明实施例的GaN样品(102)的X射线双晶衍射曲线，横坐标为ω方向扫描角度(弧秒)，纵坐标为相对强度。

图5是本发明实施例的GaN样品(002)的X射线双晶衍射曲线，横坐标为ω方向扫描角度(弧秒)，纵坐标为相对强度。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，包括以下步骤：

步骤1：采用MOCVD技术，在MOCVD反应室里将蓝宝石图形衬底进行热处理：在氢气气氛下，温度维持在1100-1180℃，持续烘烤600-2000秒，然后降温。其中采用的MOCVD技术，是利用氨气做为氮源，氮气或氢气做载气，三甲基镓或三乙基镓、三甲基铟和三甲基铝分别做为镓源、铟源和铝源；硅烷为N型掺杂剂，二茂镁为P型掺杂剂。其中所述的蓝宝石图形衬底的图形底部尺寸为0.5-5μm，图形间距为0.3-3μm，图形高度为0.5-3μm，且图形呈六边形分布。

步骤2：在蓝宝石图形衬底上生长一氮化物成核层，其中氮化物成核层的生长温度为510-570℃，反应压力为400-800mbar。当成核层厚度达到25-60nm后，停止向反应室通入金属源；

步骤3：退火，实现成核层再结晶；把温度升高退火温度：1020-1100℃，升温速率为1.3-1.6℃/秒。退火时间为200-500s，使得氮化物成核层在退火之后仅留下少量晶核。

步骤4：在结晶后的氮化物成核层上生长一氮化镓成核层，其中氮化镓成核层的生长温度为900-1000℃，气压为400-800mbar，V/III为1500-3000，厚度为20-100nm。调节温度到900-1000℃，生长一层高温成核层。该高温成核层在只有少量晶核的基础上，且在比低温成核高的多的温度下，可以得到晶体质量更好的成核层。参照图3，所描述的是本发明实施例的初期温度曲线与反射率曲线，其第二次成核时的温度和反射率与使用传统方法生长时温度和反射率有很大不同，这一步是改善氮化镓外延质量的关键和基础。

步骤5：第二次退火，其中第二次退火的温度为1020-1100℃，退火的时间为30-200s。此时蓝宝石图形沉底上的氮化镓岛状晶核具有质量好，尺寸大，密度小等特点，能够很好的改善后续生长的LED外延层的质量。

参照图4、图5。他们分别是本发明实施例的氮化镓样品(102)、(002)的X射线双晶衍射曲线，其中横坐标为ω方向扫描角度(弧秒)，纵坐标为相对强度。X射线双晶衍射曲线FWHM很小，均小于300弧秒，表明氮化镓外延晶体质量有提高，进而可以提高器件效率和寿命；同时，使用该方法在蓝宝石图形衬底上生长氮化镓外延结构时具有很宽的生长工艺窗口。

本发明的具体实施方案已说明如上，熟悉本领域的技术人员可以在不违背本发明的精神及范围内，根据上述说明对实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如权利要求书的内容为准。

Claims

1.一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：采用MOCVD技术，对图形衬底进行高温处理后，降温；

步骤2：在图形衬底上生长一氮化物成核层；

步骤3：退火，实现成核层再结晶；

步骤4：在结晶后的氮化物成核层上生长一氮化镓成核层；

步骤5：第二次退火；

2.根据权利要求1所述的一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其中图形衬底的图形底部尺寸为0.5-5μm，图形间距为0.3-3μm，图形高度为0.5-3μm，且图形呈六边形分布。

3.根据权利要求1所述的一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其中采用MOCVD技术，是利用氨气做为氮源，氮气或氢气做载气，三甲基镓或三乙基镓、三甲基铟和三甲基铝分别做为镓源、铟源和铝源；硅烷为N型掺杂剂，二茂镁为P型掺杂剂。

4.根据权利要求1所述的一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其中生长氮化物成核层的510-570℃，厚度为25-60nm。

5.根据权利要求1所述的一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其中退火温度为1020-1100℃，退火时间为200-500s。

6.根据权利要求1所述的一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其中生长氮化镓成核层的温度为900-1000℃，厚度为20-100nm。

7.根据权利要求1所述的一种利用双成核层生长高质量氮化镓外延结构的方法，其中第二次退火的温度为1020-1100℃，退火的时间为30-200s。