CN102534769B - 在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，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第一非故意掺杂氮化镓层；步骤5：在第一非故意掺杂氮化镓层上生长一第二非故意掺杂氮化镓层；步骤6：在第二非故意掺杂氮化镓层上依次生长N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层，得到完整外延结构。本发明可以使得氮化镓外延层有较低的缺陷密度一尤其是穿透性位错缺陷，因此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很宽的生长工艺窗口。

Description

在图形衬底上生长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，特别涉及一种在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法。

背景技术

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。

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；然后在横向生长速率较大的情况下生长氮化镓，实时反射率震荡上升，直到氮化镓覆盖图形并长平；其后生长LED完整结构。参照图1，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。这种生长方式不能很好的抑制位错，尤其是穿透位错，导致氮化镓外延内部的缺陷仍然很多。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，其是通过优化后的生长模式，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。

本发明提供一种在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，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第一非故意掺杂氮化镓层；

步骤5：在第一非故意掺杂氮化镓层上生长一第二非故意掺杂氮化镓层；

步骤6：在第二非故意掺杂氮化镓层上依次生长N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层，得到完整外延结构。

该方法通过调整初期氮化镓的生长模式，使得由外延材料与衬底间的巨大失配带来的穿透位错在氮化镓长平的过程中发生转向，从而抑制穿透位错向外延表面延伸，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2是本发明实施例的氮化镓外延结构示意图。

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。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明提供一种在图形衬底上生长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反应室里将图形衬底21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。其中所述的图形衬底21为蓝宝石衬底，但不限于蓝宝石图形衬底，其图形底部尺寸为0.5-5μm，图形间距为0.3-3μm，图形高度为0.5-3μm。图形的顶部没有平台，且图形呈六边形分布。

步骤2：在图形衬底21上生长一氮化物成核层22，其中氮化物成核层22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，使衬底21表面形成成核层22的结晶。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60-400s。

步骤4：在结晶的氮化物成核层22上生长第一非故意掺杂氮化镓层23，其中第一非故意掺杂氮化镓层23的生长温度为960-1030℃，生长压力为500-800mbar，V/III比为300-800，外延的生长时间为600-1800s，直到厚度大于或等于衬底图形高度。其中，第一非故意掺杂氮化镓层23的生长模式为3D生长，纵向生长速度远大于横向生长速度，在这个阶段，实时在位检测反射率接近0，参阅图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。生长完成后，第一非故意掺杂氮化镓层23的大部分在衬底图形间隔的地方生长，且截面是近似梯形。

步骤5：在第一非故意掺杂氮化镓层23上生长一第二非故意掺杂氮化镓24。其中第二非故意掺杂氮化镓层24的生长温度为1030-1100℃，生长压力为100-500mbar，V/III比为1200-2000。其中，第二非故意掺杂氮化镓层24的生长模式为2D生长，在第二非故意掺杂氮化镓24生长初期，实时在位检测反射率从0迅速提高。参阅图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。由于非故意掺杂氮化镓24生长的横向速率远大于纵向速率，氮化镓外延快速闭合，第二非故意掺杂氮化镓层24内部的大量穿透位错向横向弯曲，抑制了穿透位错向上延伸，改善晶体质量，进而提高器件性能和寿命。

步骤6：在第二非故意掺杂氮化镓层24上依次生长N型氮化镓层25、有源层26和P型氮化镓层27，得到完整外延结构。

参照图4，所描述的是本发明实施例的氮化镓样品(102)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 (5)

1.一种在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，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第一非故意掺杂氮化镓层，该第一非故意掺杂氮化镓层的生长温度为960-1030℃，生长压力为500-800mbar，V/III比为300-800，外延的生长时间为600-1800s，直到厚度大于或等于衬底图形高度；

步骤5：在第一非故意掺杂氮化镓层上生长一第二非故意掺杂氮化镓层，该第二非故意掺杂氮化镓层的生长温度为1030-1100℃，压力为100-500mbar，V/III比为1200-2000，厚度为2.5-4um；

步骤6：在第二非故意掺杂氮化镓层上依次生长N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层，得到完整外延结构。

2.根据权利要求1所述的在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，其中的图形衬底为蓝宝石图形衬底。

3.根据权利要求1所述的在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，其中氮化物成核层的生长温度为510-570℃，生长压力为400-800mbar，生长厚度为20-50nm。

4.根据权利要求1所述的在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，其中退火温度为1020-1100℃，退火时间为60-400s。

5.根据权利要求1所述的在图形衬底上生长氮化镓外延结构的方法，其中第一非故意掺杂氮化镓层大部分在图形间隔的地方生长，且截面是近似梯形。