CN102465334A - 一种氮化镓基led外延层的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化镓(GaN)基LED外延层生长的方法，该方法主要包括在MOCVD反应室生长GaN缓冲层；在HVPE中对缓冲层作退火处理；利用HVPE生长厚膜GaN；在厚膜GaN上生长N型GaN；在MOCVD反应室中生长多量子阱结构和P型GaN。本发明所述方法可具有提高晶体生长质量，减少外延生长时间，从而提高外延光电转化效率，降低外延生长成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓(GaN)基LED外延层生长的方法。
背景技术
一般蓝、绿光的LED外延层生长采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)系统，方法是在蓝宝石衬底上外延成长GaN单晶薄膜材料，分别通过掺硅(Si)或掺镁(Mg)元素得到N型或P型半导体材料，并且在有源层中通过调整铟镓的比例交替生长多量子阱结构来调整发光的波长，提高电光转换效率。
在蓝宝石衬底上生长GaN，由于两种材料晶格失配大，为了消除生长过程中的各种缺陷，需要先在低温条件下生长一层薄的缓冲层，然后再生长几个微米厚度的非掺杂GaN来提高晶体质量，在此基础上再依次生长N型GaN、多量子阱、P型GaN。MOCVD系统生长速率低，典型生长速率在每小时1微米左右，有利于控制外延层的界面陡峭程度、表面形貌以及厚度、组分和掺杂均匀性，适合薄层和低微结构生长，而对于生长数微米厚的GaN来说生长周期过长，运行成本显得昂贵，效率偏低。另外，MOCVD生长GaN外延层过程中，在反应室中涉及多组分、多相的输运和化学反应，气相状态的反应物一部分扩散到衬底表面后先吸附在衬底表面，在表面迁移并继续反应，最终并入晶格形成外延层。表面反应的副产物也有部分从表面脱附，通过扩散再回到主气流，被载气带出反应室。也有一部分气相反应物在未扩散到达衬底之前被气流带出反应室。生长GaN外延层过程中，氮元素来自于氨气，而氨气的利用率不到1％，绝大部分以尾气的形式排出，而大量尾气的处理也会产生大量的费用。
如果能在GaN的衬底上直接生长GaN LED外延层，生长周期将大幅度缩短，但是目前尚未开发出适合大规模生产的GaN衬底。
HVPE(氢化物气相外延)是将含有组成外延层元素的气态氢化物输运到衬底材料上，反应室中进行化学反应而获得单晶层的方法。GaN的HVPE生长是利用氢气(H2)携带氯化氢(HCl)气体流经大约850℃的液态镓(Ga)表面生成氯化镓(GaCl)，再流经大约1100℃的生长区与氨气(NH3)混合发生反应，在蓝宝石衬底上生长GaN外延层。其优点是生长速率快，每分钟可以超过1微米，其缺点是不利于生长低微结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种GaN基LED外延层的生长方法，该方法将金属有机化合物气相外延(MOCVD)生长和氢化物气相外延(HVPE)生长相结合，其可以提高GaN基LED外延层的质量和生长效率。
实现上述目的的技术方案如下：
一种GaN基LED外延层的生长方法，主要包括以下步骤：
(1)在MOCVD反应室中，在蓝宝石衬底表面生长一层GaN缓冲层，冷却到室温，取出，得到生长GaN缓冲层的蓝宝石衬底；
(2)将所述生长GaN缓冲层的蓝宝石衬底放入HVPE反应室，升温至1100℃，进行退火300～400秒，缓冲层重结晶，生长非掺杂GaN薄膜；然后再生长N型GaN，冷却到室温取出；
(3)放入MOCVD反应室中，生长多量子阱结构和P型GaN。
优选地，所述步骤(1)中GaN缓冲层的生长温度为500～550℃，厚度为20～40nm。所述非掺杂GaN薄膜的厚度优选为10～50um；所述N型GaN的厚度优选为2～5um。
本发明提供的GaN基LED外延层的生长方法的是利用HVPE具有较快的生长速率和MOCVD具有精确地生长控制，在厚膜GaN上直接生长多量子阱结构和P型GaN，其具有利于提高LED结构的晶体质量，缩短外延生长时间提高效率，节省成本等。
附图说明
图1是本发明的所述GaN基LED外延层的生长方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施所述的一种GaN基LED外延层的生长方法，参见图1，包括以下步骤：
(1)MOCVD反应室中，在蓝宝石衬底表面低温生长一层GaN缓冲层，生长温度在500～510℃之间，GaN缓冲层厚度在20～25nm之间，然后冷却到室温取出；
(2)接着将生长GaN缓冲层的蓝宝石衬底放入HVPE反应室，在HVPE反应室中，升温至1100℃，进行退火300～400秒，缓冲层重结晶，生长非掺杂GaN薄膜，通过生长厚膜GaN来减少晶格失配导致的各种缺陷，非掺杂GaN薄膜厚度在25～30um之间；然后生长2～3um厚度的N型GaN，冷却到室温取出；
(3)将步骤2中得到的此衬底放入MOCVD反应室生长多量子阱结构和P型GaN。
实施例2
本实施所述的一种GaN基LED外延层的生长方法，包括以下步骤：
(1)MOCVD反应室中，在蓝宝石衬底表面低温生长一层GaN缓冲层，生长温度在530～550℃之间，GaN缓冲层厚度在30～40nm之间，然后冷却到室温取出；
(2)接着将生长GaN缓冲层的蓝宝石衬底放入HVPE反应室，在HVPE反应室中，升温至1100℃，进行退火300～400秒，缓冲层重结晶，生长非掺杂GaN薄膜，通过生长厚膜GaN来减少晶格失配导致的各种缺陷，非掺杂GaN薄膜厚度在20～25um之间；然后生长4～5um厚度的N型GaN，冷却到室温取出；
(3)将步骤2中得到的此衬底放入MOCVD反应室生长多量子阱结构和P型GaN。
实施例3
本实施所述的一种GaN基LED外延层的生长方法，包括以下步骤：
(1)MOCVD反应室中，在蓝宝石衬底表面低温生长一层GaN缓冲层，生长温度在520～530℃之间，GaN缓冲层厚度在20～30nm之间，然后冷却到室温取出；
(2)接着将生长GaN缓冲层的蓝宝石衬底放入HVPE反应室，在HVPE反应室中，升温至1100℃，进行退火300～400秒，缓冲层重结晶，生长非掺杂GaN薄膜，通过生长厚膜GaN来减少晶格失配导致的各种缺陷，非掺杂GaN薄膜厚度在10～20um之间；然后生长3～4um厚度的N型GaN，冷却到室温取出；
(3)将步骤2中得到的此衬底放入MOCVD反应室生长多量子阱结构和P型GaN。
以上是针对本发明的可行实施例的具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。
Claims (4)
1.一种GaN基LED外延层的生长方法，其特征是，主要包括以下步骤：
(1)于MOCVD反应室中，在蓝宝石衬底表面生长一层GaN缓冲层，冷却到室温，取出，得到生长GaN缓冲层的蓝宝石衬底；
(2)将所述生长GaN缓冲层的蓝宝石衬底放入HVPE反应室，升温至1100℃，进行退火300～400秒，缓冲层重结晶，生长非掺杂GaN薄膜；然后再生长N型GaN，冷却到室温取出；
(3)放入MOCVD反应室中，生长多量子阱结构和P型GaN。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延层的生长方法，其特征是，所述步骤(1)中GaN缓冲层的生长温度为500～550℃，厚度为20～40nm。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延层的生长方法，其特征是，所述非掺杂GaN薄膜的厚度为10～50um。
4.根据权利要求1-3任一项所述的GaN基LED外延层的生长方法，其特征是，所述N型GaN的厚度为2～5um。
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