一種提高外延晶體質量的外延生長方法
2023-05-27 05:28:36 1
一種提高外延晶體質量的外延生長方法
【專利摘要】本發明提供一種提高外延晶體質量的外延生長方法，能有效提升LED外延的晶體質量。該外延生長方法包括以下步驟：1)以錐形PSS作為生長基底，低溫生長第一緩衝層；2)高溫生長第一U-GaN層,生長厚度應保證第一U-GaN層未完全覆蓋PSS圖形，即有PSS尖部高出第一U-GaN層表面；3)在NH3環境中進行高溫退火，然後降至低溫，再生長第二緩衝層；4)高溫生長第二U-GaN層,生長厚度應保證第二U-GaN層完全覆蓋PSS圖形；5)依次生長摻雜SiH4的n-GaN層、多量子阱有源層、摻雜p型AlGaN阻擋層、摻雜p型GaN層，最後在氮氣氛圍下退火。
【專利說明】一種提高外延晶體質量的外延生長方法
【技術領域】
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[0001]本發明屬於半導體電子器件製備技術，特別涉及一種新的生長LED外延生長方法。
【背景技術】
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[0002]作為第三代半導體材料的代表，GaN材料具有禁帶寬度大、耐高溫等諸多優異性能。因此，GaN半導體器件在光顯示、光存儲、雷射列印、白光照明以及醫療和軍事等領域都具有廣闊應用。其中最引人注目的是利用GaN基發光二極體(LED)加上螢光粉合成白光實現白光照明。
[0003]目前大多採用MOCVD設備在藍寶石襯底上生長GaN，然而，藍寶石襯底和GaN材料的晶格常數存在較大的失配(16%)，導致藍寶石襯底上生長GaN晶體具有很高的位錯密度，晶體質量很差，造成載流子洩漏和非輻射複合中心增多等不良影響，使得器件內量子效率下降。隨著工藝的不斷改進，人們開始採用圖形化襯底技術(PSS)，即通過在藍寶石襯底表面製作具有細微結構的圖形，改變GaN的生長過程，人為的在襯底表面製造周期性的成核中心，能有效抑制材料中位錯的生成，提高晶體質量，使器件的內量子效率得到提升。
[0004]例如，先以錐形PSS作為生長基底，低溫生長緩衝層；然後高溫生長U-GaN層，生長厚度保證U-GaN層完全覆蓋PSS圖形；再依次生長摻雜SiHJ^ η-GaN層、多量子阱有源層、摻雜P型AlGaN阻擋層、摻雜P型GaN層，最後在氮氣氛圍下退火。
[0005]不過，目前人為製造的成核中心雖然一定程度上減少了位錯的生成，但在PSS圖形之間區域仍存在大量位錯(如圖1)，這是由藍寶石襯底材料和GaN材料之間的巨大晶格失配造成的。
【發明內容】
:
[0006]本發明提出一種新的LED外延生長方法，能有效提升LED外延的晶體質量。
[0007]本發明的解決方案如下:
[0008]該外延生長方法，包括以下步驟:
[0009]I)以錐形PSS作為生長基底，低溫生長第一緩衝層；
[0010]2)高溫生長第一 U-GaN層，生長厚度應保證第一 U-GaN層未完全覆蓋PSS圖形，即有PSS尖部高出第一 U-GaN層表面；
[0011]3)在NH3環境中進行高溫退火，然後降至低溫，再生長第二緩衝層；
[0012]4)高溫生長第二 U-GaN層，生長厚度應保證第二 U-GaN層完全覆蓋PSS圖形；
[0013]5)依次生長摻雜SiHj^ η-GaN層、多量子阱有源層、摻雜p型AlGaN阻擋層、摻雜P型GaN層，最後在氮氣氛圍下退火。
[0014]以上所稱的「高溫」、「低溫」在本領域是具有明確意義的技術術語。
[0015]基於上述方案，本發明還進一步作如下優化限定:
[0016]第一 U-GaN層厚度為0.5um_2.0um,第二緩衝層厚度為5nm-40nm，第二 U-GaN層厚度為 1.0um-2.0um。
[0017]步驟3)中退火溫度為1000°C -1200°C，時間為lmin-lOmin。
[0018]第一緩衝層和第二緩衝層均為AlxGal-xN，0彡x彡I。即X = O時，第一緩衝層和第二緩衝層為GaN ;x = I時，緩衝層為AlN ;x在O到I之間時，緩衝層為AlGaN。
[0019]採用上述外延生長方法製得的LED外延片，包括錐形PSS基底、緩衝層、U-GaN層、摻雜SiH4的η-GaN層、多量子阱有源層、摻雜p型AlGaN阻擋層以及摻雜p型GaN層；相比現有的LED外延片結構，其特殊之處是:所述緩衝層和U-GaN層整體上分為依次生長的第一緩衝層、第一 U-GaN層、第二緩衝層以及第二 U-GaN層，其中第一 U-GaN層未完全覆蓋PSS圖形，第二 U-GaN層完全覆蓋PSS圖形。
[0020]本發明具有以下有益效果:
[0021]1、生長完U-GaN-1之後在冊13環境中對樣品進行退火，在高溫中，U-GaN-1表面界面能較大的晶粒發生解吸附，表面原子出現迀移重組現象，使U-GaN-1的缺陷減少，表面變平整。
[0022]2、厚度較薄的U-GaN-1保留了部分PSS圖形在GaN膜層外，為後續的buffer-2和U-GaN-2外延生長提供周期性的成核中心，提高晶體質量。
[0023]3、在U-GaN-1層上生長buffer-2層，相比於在藍寶石襯底上生長的buffer-1層，在GaN材料基底上生長的buffer-2層能提供具有更少缺陷、更小內應力和更少晶體取向差異的晶粒。從而為後續生長的U-GaN-2提供更好的基礎，有效減小晶體的缺陷密度，提高晶體質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0024]圖1為現有技術在PSS圖形之間區域造成大量位錯的示意圖。
[0025]圖2為本發明的LED的外延整體結構圖。
【具體實施方式】
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[0026]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的描述。
[0027]本發明採用錐形PSS作為生長基底進行外延生長，首先在藍寶石襯底上生長一層buffer-Ι,然後再高溫生長一層較薄的無摻雜U_GaN_l，使GaN層未完全覆蓋PSS圖形，即有PSS尖部高出U-GaN-1平面，之後在NH3環境中對樣品進行高溫退火，再降至低溫，再生長第二層buffer-2，之後再生長一層無摻雜的高溫U_GaN_2，接著再生長一層摻雜SiHj9n-GaN，之後再生長多量子阱有源層，然後生長摻雜p型AlGaN阻擋層，接著生長一層摻雜P型GaN層。如圖2。
[0028]本發明運用金屬有機化合物化學氣相沉澱(MOCVD)外延生長技術，採用三甲基鎵
[0029](TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)矽烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提供生長所需要的鎵源，銦源，鋁源，和氮源，矽源，鎂源。
[0030]實施例一:本發明LED外延的具體生長過程和較佳參數示例如下:
[0031]1.將清洗後的藍寶石襯底放入MOCVD設備中，在1100°C烘烤10分鐘，。
[0032]2.降溫至620 °C生長一層厚度為20nm的低溫GaN buffer-Ι層，一般為AlxGal-xN(O < x < I)生長壓力為 500torro
[0033]3.升溫至1165 °C生長一層約厚度1.3um的無摻雜U-GaN-1層，生長壓力為200torro
[0034]4.在NH3環境中，升溫至1170°C，退火5min，壓力為200torr。
[0035]5.降溫至620 °C生長一層厚度為1nm的低溫GaN buffer-2層，生長壓力為500torro
[0036]6.再升溫至1165°C生長一層約厚度l.0um的無摻雜U_GaN_2層，生長壓力為200torro
[0037]7.升溫至1170 °C，生長一層厚度為2.0um摻雜矽烷的η-GaN層，生長壓力為200torro
[0038]8.切換載氣，由氫氣變為氮氣，壓力為200torr，生長多量子阱層。
[0039]9.切換載氣，由氮氣變為氫氣，溫度至1185°C，150torr，生長一層P型AlGaN層，厚度20nm，生長壓力為10torr0
[0040]10.溫度1080°C，生長一層厚為150nm摻雜Mg的p型GaN，生長壓力為lOOtorr。
[0041]11.切換氣體，由氫氣變為氮氣，在氮氣氛圍下1200°C中退火20min。
[0042]此生長過程結束。
[0043]實施例二(傳統方案):
[0044]1.將清洗後的藍寶石襯底放入MOCVD設備中，在1100°C烘烤10分鐘，。
[0045]2.降溫至620 °C生長一層厚度為20nm的低溫GaN buffer-Ι層，生長壓力為500torro
[0046]3.再升溫至1165°C生長一層約厚度2.0um的無摻雜U_GaN_2層，生長壓力為200torro
[0047]4.升溫至1170 °C，生長一層厚度為2.0um摻雜矽烷的η-GaN層，生長壓力為200torro
[0048]5.切換載氣，由氫氣變為氮氣，壓力為200torr，生長多量子阱層。
[0049]6.切換載氣，由氮氣變為氫氣，溫度至1185°C，150torr，生長一層P型AlGaN層，厚度20nm，生長壓力為10torr0
[0050]7.溫度1080°C，生長一層厚為150nm摻雜Mg的p型GaN，生長壓力位lOOtorr。
[0051]8.切換氣體，由氫氣變為氮氣，在氮氣氛圍下1200°C中退火20min。
[0052]此生長過程結束。
[0053]通過XRD可對外延片的晶體質量進行表徵，對比本發明外延生長方法(實施例一)與傳統外延生長方法製備的外延片(實施例二)的XRD結果，其中002的檢測結果分別為274和350 (數值越小，代表晶體質量越高)，本發明較傳統方法，明顯提高了 LED外延的晶體質量。
[0054]以上實施例中給出了能夠達到最佳技術效果的具體參數，但這些具體數值不應視為對本發明權利要求保護範圍的限制。說明書中闡述了本發明技術改進的原理，本領域技術人員應當能夠認識到在基本方案下對各具體參數做適度的調整仍然能夠基本實現本發明的目的。
【權利要求】
1.一種提高外延晶體質量的外延生長方法，包括以下步驟: 1)以錐形？33作為生長基底，低溫生長第一緩衝層； 2)高溫生長第一口層，生長厚度應保證第一 口層未完全覆蓋圖形，即有？88尖部高出第一 口層表面； 3)在冊！3環境中進行高溫退火，然後降至低溫，再生長第二緩衝層； 4)高溫生長第二口層，生長厚度應保證第二 口層完全覆蓋圖形； 5)依次生長摻雜31?的層、多量子阱有源層、摻雜？型八阻擋層、摻雜？型6^層，最後在氮氣氛圍下退火。
2.根據權利要求1所述的提高外延晶體質量的外延生長方法，其特徵在於: 第一 層厚度為0.511111-2.011111,第二緩衝層厚度為511111-4011111，第二 層厚度為1.011111-2.0111110
3.根據權利要求1所述的提高外延晶體質量的外延生長方法，其特徵在於:步驟3)中退火溫度為 10001: -12001:，時間為 1111111-10111111。
4.根據權利要求1所述的提高外延晶體質量的外延生長方法，其特徵在於:第一緩衝層和第二緩衝層均為八彡X彡1。
5.採用如權利要求1所述方法製得的[￡0外延片，包括錐形基底、緩衝層、層、摻雜31?的層、多量子阱有源層、摻雜？型阻擋層以及摻雜？型&^層；其特徵在於:所述緩衝層和層整體上分為依次生長的第一緩衝層、第一層、第二緩衝層以及第二 口層，其中第一 口層未完全覆蓋圖形，第二 口層完全覆蓋？33圖形。
6.根據權利要求5所述的[￡0外延片，其特徵在於:第一口層厚度為0.511111-2.011111，第二緩衝層厚度為511111-4011111，第二 11-6抓層厚度為1.011111~2? 011111。
7.根據權利要求5所述的120外延片，其特徵在於:第一緩衝層和第二緩衝層均採用八? X ? 1。
【文檔編號】H01L33/00GK104485399SQ201410720665
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】商毅博 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司