CN104659164A - 一种使用两步法生长光电材料和器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明综合利用磁控溅射技术和金属有机物化学气相沉积技术，针对目前技术实现上低温成核的质量较难控制而晶体质量提升困难的问题进行了深入研究和改进，提出一种两步法生长光电材料和器件的方法。该方法首先利用磁控溅射在衬底上外延与衬底材料不同而与后续外延材料晶格失配度<10％的材料，作为后续生长的成核层，该材料为多晶或非晶，厚度在1nm-10um；然后把生长了成核层的衬底送入MOCVD设备内，温度为700-1250度，压力为0-1040mbar进行高温处理后，再进行后续的器件结构生长。
Description
技术领域：
本发明涉及一种生长光电材料和器件的方法。
背景技术：
现有的光电材料和器件的生长主要有：分子束外延(Molecular Beam Epitaxy缩写为MBE)，金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapour Deposition缩写为MOCVD)和磁控溅射(Magnetron Sputtering)进行外延材料和器件的生长。其中分子束外延要求条件苛刻，需要极高的真空度，衬底材料和生长成本极高，一般用在特殊的技术领域并且设备的控制和材料的研制尚处于研发阶段而不能用作为稳定的量产；金属有机物化学气相沉积目前已经批量生产并广泛用于各种光电器件的制造量产中，制造成本较低并且过程可控，但是由于低温成核的质量较难控制而晶体质量提升困难；磁控溅射技术成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现极低成本的低温成核大面积镀膜但是材料的质量较差而不能用于光电器件的量产。
但在实际的外延生长中，由于衬底材料和后续生长的材料并非相同材料就会需要一层低温可控的成核层(或者叫缓冲层)作为缓冲来进行后续的外延生长，成核层晶体质量并非关键因素，而是其过程低温可控并可以均匀大面积生长对后续的过程控制影响更加明显。此技术磁控溅射可以轻易实现，但金属有机物化学气相沉积技术的低温成核能力却很差，不能得到成核层所需求均匀一致并且过程可控的低温薄膜层。
为此也已经有很多的研究，最早的如中国专利申请200910069330.5《高迁移率绒面结构IMO/ZNO复合薄膜及太阳电池应用》就是利用磁控溅射技术和MOCVD技术相结合生长高迁移率绒面结构IMO/ZNO薄膜的方法及太阳电池应用，其首先利用溅射技术玻璃衬底上生长一层高迁移透明导电薄膜；其次利用MOCVD技术生长低组分B掺杂ZNO薄膜，其利用的为不同技术可以生长不同材料的特点进行组合设计；如中国专利申请201410414711.3《磁控溅射辅助的MOCVD装置及方法》已经开始尝试两者的结合，其设计在于从设备层面进行组合设计，改造的幅度较大而尚无法直接市场化使用。而中国专利申请201310360807.1《用于制造第Ⅲ族氮化物半导体的方法》已经提出用于制造第III族氮化物半导体的方法，在蓝宝石图案化，然后在氢或氮气氛中对图案化的蓝宝石衬底进行热处理，之后通过磁控溅射在蓝宝石衬底表面上形成AlN缓冲层，最后在缓冲层上通过MOCVD继续后续的外延生长，此技术已经开始尝试磁控溅射和MOCVD技术的结合。此技术在图形化衬底上使用磁控溅射生长AlN缓冲层而后使用MOCVD进行后续的生长已经利用两种设备的优势组合部分解决材料之间生长的问题。但是对于单晶材料的生长而言，原有的缓冲层一般为多晶或者非晶材料，即使为单晶材料晶体质量和品质也无法保证后续的单晶外延生长需要。
本发明提出了在MOCVD外延生长之前先把之前已生长的缓冲层材料先经过高温处理使多晶或者非晶材料发生二次再结晶，之后通过此二次再结晶的晶核作为成核中心进行外延即可得到较高质量的单晶材料。
发明内容：
本发明综合利用磁控溅射技术和金属有机物化学气相沉积技术，针对目前技术实现上低温成核的质量较难控制而晶体质量提升困难的问题进行了深入研究和改进，提出一种两步法生长光电材料和器件的方法。
本发明的实现方案如下：
首先利用磁控溅射在衬底上外延与衬底材料不同而与后续外延材料晶格失配度<10％的材料，作为后续生长的成核层，，该材料为多晶或非晶(而非单晶材质)，厚度在1nm-10um；
然后把生长了成核层的衬底送入MOCVD设备内，温度为700-1250度，压力为0-1040mbar进行高温处理后，再进行后续的器件结构生长。
上述衬底为单一的耐高温单晶材料或者至少一层为单晶的复合材料,材料耐温在1250度以上。
上述衬底可以是平面衬底，也可以是表面经过图形化处理的衬底，以利于出光。
上述磁控溅射形成的成核层可以是均一组分材料，也可以是渐变组分材料，还可以依次采用不同的材料进行磁控溅射形成多层复合结构。
其中均一组分材料如组分含量恒定的的InN、GaN、AlN、InGaN、InAlN、AlGaN或者InAlGaN；
渐变组分材料如InGaN、InAlN、AlGaN或者InAlGaN，但其中相应的Al组分、In组分在生长过程为组分渐变生长(对于InAlN和InAlGaN，既可以只是Al组分和In组分之一渐变生长，也可以Al组分和In组分均渐变生长)；
多层不同材料复合结构如InN、GaN、AlN、InGaN、InAlN、AlGaN和InAlGaN中的至少两种材料形成多层组合结构或者其中的两种配对周期生长形成超晶格结构。
对衬底上磁控溅射成核层之后的复合结构(衬底+成核层)可以作进一步处理加工，如刻蚀成为仅保留部分成核层的具有不同形状表面的结构(如图形衬底形貌)，从而进一步减少成核中心进而减少缺陷，提升亮度。
本发明具有以下技术效果：
本发明利用磁控溅射的低温成核技术在衬底上进行一次生长之后得到一层质量较差但可控的低温成核层，该成核层的晶格常数和后续生长材料晶格失配度<10％，生长后的衬底和低温成核层转移进入金属有机物化学气相沉积设备进行二次处理和后续生长即可得到晶体质量较大提升的材料和光电器件。如此结合成本可以大幅度降低，而且由于磁控溅射设备的低温成核层的可控生长结合后续金属有机物化学气相沉积设备的高温可控生长，晶体质量可以得到大幅度的提升，从而明显提高材料品质和器件的效率。
与现有技术相比，本发明的材料晶体质量得到较大的提升，原有的材料XRD衍射晶面半宽降低25％左右，同时光电转换效率提升10％-30％；同时由于一次成核在磁控溅射设备内完成，而量产的金属有机物化学气相沉积产能可以提升10％以上，整体成本综合考量大约降低5％以上。
附图说明：
图1是磁控溅射和金属有机物化学气相沉积技术结合的两步法生长光电材料和器件的方法流程图。
图2是衬底图形化处理后采用的两步法生长光电材料和器件方法流程图。
图3是衬底图形化处理后生长成核层，而后图形化处理的两步法生长光电材料和器件方法流程图。
具体实施方式：
实施例1
首先使用现有的蓝宝石PSS衬底材料在磁控溅射设备进行AlN材料沉积，沉积厚度为25nm，之后把沉积了AlN缓冲层的衬底材料传入MOCVD设备进行高温处理，处理温度1100度，压力200mbar，处理时间3min(优化的结果)之后开始进行高温沉积非掺的GaN，N型掺杂的GaN，应力释放层，多量子阱层，电子阻挡层和P型GaN结构的LED。作为对比，同样PSS衬底直接在MOCVD内进行外延生长，首先沉积厚度为25nmAlN,之后1100度，压力200mbar，处理时间3min之后开始进行高温沉积非掺的GaN，N型掺杂的GaN，应力释放层，多量子阱层，电子阻挡层和P型GaN结构的LED。经过对比，使用两步法生长的晶体质量(002)(102)晶面半宽分别为257arcseconds和265arcseconds，优于传统PSS衬底外延LED的330arcseconds和357arcseconds，亮度比对比LED提升7％。
实施例2
使用现有的蓝宝石PSS衬底材料在磁控溅射设备进行AlN材料沉积，沉积厚度为15nm，之后把沉积了AlN缓冲层的PSS衬底材料进行图形化处理为如图2所示结构，之后传入MOCVD设备进行高温处理，处理温度1100度，压力200mbar，处理时间2.5min(优化的结果)之后开始进行高温沉积非掺的GaN，N型掺杂的GaN，应力释放层，多量子阱层，电子阻挡层和P型GaN结构的LED。作为对比，同样PSS蓝宝石衬底上直接在MOCVD内进行外延生长，首先沉积厚度为15nm AlN,之后1100度，压力200mbar，处理时间2.5min之后开始进行高温沉积非掺的GaN，N型掺杂的GaN，应力释放层，多量子阱层，电子阻挡层和P型GaN结构的LED。经过对比，使用两步法并图形化处理了缓冲层的材料结构晶体质量(002)(102)晶面半宽分别为215arcseconds和223arcseconds，优于传统PSS衬底外延LED的330arcseconds和357arcseconds，亮度比传统PSS衬底外延LED亮度提升13％。
实施例3
使用现有的蓝宝石平面衬底材料在磁控溅射设备进行AlN材料沉积，沉积厚度为25nm，之后把沉积了AlN缓冲层的衬底材料进行图形化处理为如图3所示结构，之后传入MOCVD设备进行高温处理，处理温度1100度，压力200mbar，处理时间3min(优化的结果)之后开始进行高温沉积非掺的GaN，N型掺杂的GaN，应力释放层，多量子阱层，电子阻挡层和P型GaN结构的LED。作为对比，同样蓝宝石平面衬底上直接在MOCVD内进行外延生长，首先沉积厚度为25nm AlN,之后1100度，压力200mbar，处理时间3min之后开始进行高温沉积非掺的GaN，N型掺杂的GaN，应力释放层，多量子阱层，电子阻挡层和P型GaN结构的LED。经过对比，使用两步法并图形化处理了缓冲层的材料结构晶体质量(002)(102)晶面半宽分别为235arcseconds和241arcseconds，优于传统平面衬底LED的350arcseconds和389arcseconds，亮度比对比平面衬底外延的LED提升25％。
Claims (6)
1.一种使用两步法生长光电材料和器件的方法，包括以下步骤：
首先利用磁控溅射在衬底上外延与衬底材料不同而与后续外延材料晶格失配度<10％的材料，作为后续生长的成核层，该材料为多晶或非晶，厚度在1nm-10um；
然后把生长了成核层的衬底送入MOCVD设备内，温度为700-1250度，压力为0-1040mbar进行高温处理后，再进行后续的器件结构生长。
2.根据权利要求1所述的使用两步法生长光电材料和器件的方法，其特征在于：所述衬底为单一的耐高温单晶材料或者至少一层为单晶的复合材料,材料耐温在1250度以上。
3.根据权利要求1所述的使用两步法生长光电材料和器件的方法，其特征在于：所述衬底为平面衬底或者表面经过图形化处理的衬底。
4.根据权利要求1所述的使用两步法生长光电材料和器件的方法，其特征在于：所述磁控溅射形成的成核层为均一组分材料、渐变组分材料、或者不同材料的复合结构。
5.根据权利要求4所述的使用两步法生长光电材料和器件的方法，其特征在于：
所述均一组分材料为组分含量恒定的InN、GaN、AlN、InGaN、InAlN、AlGaN或者InAlGaN；
所述渐变组分材料为InGaN、InAlN、AlGaN或者InAlGaN，其中相应的Al组分、In组分在生长过程为组分渐变生长；
所述不同材料复合结构是采用InN、GaN、AlN、InGaN、InAlN、AlGaN和InAlGaN中的至少两种材料形成多层组合结构或者其中的两种配对周期生长形成超晶格结构。
6.根据权利要求1所述的使用两步法生长光电材料和器件的方法，其特征在于：在将所述生长了成核层的衬底送入MOCVD设备之前，对生长了成核层的衬底进行图形化处理。
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