CN110707184B - 金属氮化镓复合衬底外延生长方法及发光二极管外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属氮化镓复合衬底外延生长方法，所述生长方法包括，提供一金属氮化镓复合衬底，于所述金属氮化镓复合衬底上形成一低温应力层，于所述低温应力层上形成第一半导体层，于所述第一半导体层上形成有源区量子阱层，于所述有源区量子阱层上形成第二半导体层，其中，所述衬底在生长温度介于700至750℃之间进行退火处理，所述低温应力层在生长温度介于700至850℃之间的条件下进行生长。利用本发明，可有效减少衬底的较大翘曲问题，更有利于应力的释放，显著改善衬底的外延层外观，减少外延层鼓泡、起皮及裂纹的现象，改善晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体技术领域，特别是涉及金属氮化镓复合衬底外延生长方法及发光二极管外延结构。
背景技术
而今，发光二极管(LED)虽然正以其寿命长、耗电少、光效高、易于控制和绿色环保等特点，正逐步应用于道路照明、办公照明、家居照明、工业照明、农业照明等领域，赢得了广泛的市场。但是，市场对于发光二极管的亮度要求也越来越高，传统的发光二极管的亮度显然不能再满足许多场合的需求。在衬底的外延生长过程中存在热失配的现象，外延生长层表面容易鼓泡起皮，翘曲严重，很难很好的进行外延生长，从反射率对外延生长的监控看，表面生长不好，直接导致对应的反射率下降明显。
在现有的技术中，例如在金属氮化镓复合衬底上生长外延结构时，由于热识配现象的存在使得金属氮化镓复合衬底的较大翘曲问题十分严重，外延层鼓泡、起皮及裂纹更导致晶体质量差。因此针对该问题进行研究，避免衬底翘曲以获得高质量的外延结构就成为了本领域亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属氮化镓复合衬底外延生长方法及发光二极管外延结构，用于解决现有技术中发光二极管衬底翘曲导致的外延结构质量不佳的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属氮化镓复合衬底外延生长方法，所述金属氮化镓复合衬底外延生长方法包括：
提供一金属氮化镓复合衬底，所述金属氮化镓复合衬底进行退火处理的生长压力介于100至150torr，转速介于500至600转的条件下进行退火处理；
于所述金属氮化镓复合衬底上形成一低温应力层，所述低温应力层的生长压力介于100至150torr，转速介于500至600转，生长速率介于0.5至1um/h，V/III摩尔比小于等于100；
于所述低温应力层上形成一高温非掺杂层，所述高温非掺杂层的生长温度介于800至1000℃，生长压力介于100至150torr，转速介于600至900转，生长速率介于1.5至3um/h，V/III摩尔比小于等于100；
于所述高温非掺杂层上形成第一半导体层；
于所述第一半导体层上形成有源区量子阱层；
于所述有源区量子阱层上形成第二半导体层。
可选地，所述有源区量子阱层由至少一层势垒层与至少一层势阱层堆栈形成。
可选地，所述势垒层的厚度介于1至4nm，所述势阱层的厚度介于7至15nm。
可选地，其特征在于，所述第一半导体层的厚度介于1至3nm。
可选地，其特征在于，所述第二半导体层的厚度介于7至15nm。
此外，本发明还提供一种发光二极管外延结构，其特征在于，通过任一项上述的金属氮化镓复合衬底外延生长方法制成。
如上所述，本发明的金属氮化镓复合衬底外延生长方法，利用优化的低压低转速以及优化的生长温度、速率等对衬底进行退火处理，并生长低温应力层及高温非掺杂层，可有效减少衬底的较大翘曲问题，更有利于应力的释放，显著改善衬底的外延层外观，减少外延层鼓泡、起皮及裂纹的现象，改善晶体质量。
附图说明
图1显示为本发明的金属氮化镓复合衬底外延生长方法流程图。
图2显示为本发明的发光二极管外延结构示意图。
图3显示为本发明有源区量子阱层层结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1至图3，本发明提供一种金属氮化镓复合衬底外延生长方法，所述发光二极管外延结构制备方法至少包括以下步骤：
执行步骤S10，提供一金属氮化镓复合衬底1。在执行步骤S10中，为了避免金属氮化镓复合衬底1的鼓泡起皮以及翘曲等现象，保证外延层在金属氮化镓复合衬底1上更好地进行生长，对金属氮化镓复合衬底1进行退火处理，其中反应室内的温度升至700至750℃，生长压力介于100至150torr，转速介于500至600转的条件下进行退火处理。在本发明的一实施例中，金属氮化镓复合衬底1为例如直接能隙的金属氮化镓(GaN)复合衬底，在金属有机化合物气象外延反应室内将温度升温至700-750℃例如700℃、749℃。在本发明的一实施例中，生长衬底1时反应室生长压力介于100-150torr，转速介于500至600转，且在纯氮气(N2)氛围下对金属氮化镓(GaN)复合衬底进行退火处理，在低温低压的环境下生长金属氮化镓复合衬底1，可以有效地降低金属氮化镓复合衬底1的翘曲。
执行步骤S20：于所述衬底1上形成有低温应力层2。低温应力层2在低压、低转速的生长环境下生长，具体地，低温应力层2的生长温度介于700至850℃之间，生长压力介于100至150torr，转速介于600至900转，V/III摩尔比小于等于100，生长速率介于0.5至1um/h(微米每小时)的生长环境下生长低温应力层2。在本发明的一实施例中，低温应力层2为一种低温氮化镓低温应力层。通过在低压低转速低生长速率的生长环境下生长低温应力层2，更有利于应力的释放，有效改善衬底1的外延结构外观，减少外延层鼓泡、起皮及裂纹的影响，显著提高晶体质量。
在本发明的一实施例中，请参阅图1及图2，为得到良好的外延层晶体质量与光电性能，执行步骤S20后还包括执行步骤S30：在低温应力层2上形成一高温非掺杂层3。高温非掺杂氮化镓(GaN)层3通过例如脉冲激光淀积技术(PLD)形成于在例如低温应力层2上，当然地在某些情况下，高温非掺杂层3也可以直接形成与衬底1上。具体地，将衬底1置于反应室中并通入例如三甲基镓(TMGa)做Ga源以便在低温应力层2上生长高温非掺杂GaN层3，高温非掺杂GaN层3的生长温度介于800至1000℃之间，生长压力介于100至150torr之间，转速介于600至900转，V/III摩尔比小于等于100，同时以生长速率介于1.5-3um/h的速率生长高温非掺杂层3。需要说明的是，高温非掺杂层3可以包括GaN并且可以通过向生长室中供应Ga源和N源以在上述的生长条件下形成高温非掺杂氮化镓层，可选择地，高温未掺杂层3还可以包括Al，Al的含量可以调节，使得高温未掺杂层3可以在激光剥离工艺中吸收激光束。
执行步骤S40，于所述衬底1上形成有第一半导体层4。需要说明的是，第一半导体层4的电性相反与第二半导体层6，当第一半导体层4的电性为N型，第二半导体层6的电性则为P型，否则则反之。在本发明的一实施例中，第一半导体层4为N型半导体层例如N型氮化镓层，第一半导体层3的厚度介于1-3um之间例如2um，当第一半导体层4为N型半导体层时，n型掺杂量1019-1020/m2。这里，应理解的是，用于第一导电型半导体层130的掺杂剂不限于Si，并且可以包括诸如Ge、C、Sn等的各种掺杂剂。同时，第一半导体层4可以包括包含Al的氮化物半导体，例如，第一半导体层4可以通过将包括Al源的III族元素源、N源和掺杂剂源供应到生长室中来生长。例如，第一半导体层4可以通过将作为III族元素源的TMAl和TMGa、作为N源的NH3以及作为掺杂剂源的硅烷引入生长室来生长，此外，第一半导体层4可以由单层或多层组成，在第一半导体层4由多层组成的示例性实施例中，第一半导体层4可以包括接触层、包层等，并且还可以包括超晶格层。
执行步骤S50，于所述第一半导体层4上形成有有源区量子阱层5。请参阅图3，有源区量子阱层5包括至少一层势阱层511与至少一层势垒层512交替生长形成周期性结构。在本发明的一实施例中，有源区量子阱层5包括7-11个由一层势阱层511与一层势垒层512交替生长形成周期性结构堆叠而成，其中势阱层511的厚度介于1至4nm之间，势垒层512的厚度介于7至15nm之间。通过形成多个循环结构的有源区量子阱层5，可以有效提高器件发光的质量。具体地，有源区量子阱层5可以包括AlN、GaN、InN，并且可以通过调节氮化物半导体的组成比来发射具有预定UV范围内的峰值波长的光。例如，有源区量子阱层5可以发射具有大约270nm至大约315nm的峰值波长的光，但是不限于此。同时，有源区量子阱层5的势阱层511和/或势垒层512可以包含铟(In)，并且可以由例如诸如AlInGaN的四元氮化物半导体形成，在多个势垒层512中最靠近第一半导体层4的势垒层512形成为具有比其他势垒层的带隙大的带隙，从而可以通过电子的移动速度的降低来有效地防止电子的溢出。
执行步骤S60，于所述有源区量子阱层层5上形成有第二半导体层6例如P型氮化镓层，第二半导体层的厚度介于60至120nm之间，第二半导体层6为Mg掺杂时，Mg掺杂的浓度介于1017至1020/m2之间。当然，需要说明的是，第二半导体层6为P型半导体层例如以N2为载气的P型GaN层，此P型半导体层包括具有依序形成于有源区量子阱层层5上的低温P型GaP层，P型电子阻挡层、高温P型GaN层以及接触层。
需要说明的是，还可以对上述元件结构适当施加功能层。例如可以设置：用于使元件驱动电流在整个发光部平面性地扩散的电流扩散层、相反地用于限制元件驱动电流流通的区域的电流阻止层和电流狭窄层等层结构。另外，在衬底1的上方也可以设置反射层(DBR层)，有源区量子阱层3的两侧可设置上部覆盖层以及下部覆盖层等层结构。于衬底1上形成的外延结构的制备方法可采用诸如金属有机化合物气外延(MOCVD)，分子束外延(MBE)，氢化物气相外延(HVPE)和气相外延(CVD)中的一种，当然也可采用诸如原子层沉积(ALD)等其他方法来生长，不以此为限。此外，上述实施例中以例如高纯氢气或者氮气作为载气，以例如三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMln)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、ln和N源。上述金属氮化镓复合衬底外延生长方法得到的外延结构以及上述的外延结构经过清洗、趁机、光刻和刻蚀等后续加工工艺后可被制成单颗芯片以供使用。
综上所述，本发明提供金属氮化镓复合衬底外延生长方法，可有效减少衬底的较大翘曲问题，同时更有利于应力的释放，有效改善生长于衬底之上的外延结构的外观，减少外延结构鼓泡、起皮及裂纹的现象，显著改善晶体质量。所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (2)
1.一种金属氮化镓复合衬底外延生长方法，其特征在于，包括：
提供一金属氮化镓复合衬底，所述金属氮化镓复合衬底进行退火处理；
其中，所述金属氮化镓复合衬底退火处理的生长压力介于100至150torr，转速介于500至600转，所述金属氮化镓复合衬底退火处理时在反应室内温度升至700至750℃；
于所述金属氮化镓复合衬底上形成一低温应力层，所述低温应力层的生长压力介于100至150torr，转速介于500至600转，生长速率介于0.5至1um/h，V/III摩尔比小于等于100，所述低温应力层的生长温度介于700至850℃之间；
于所述低温应力层上形成一高温非掺杂层，所述高温非掺杂层的生长温度介于800至1000℃，生长压力介于100至150torr，转速介于600至900转，生长速率介于1.5至3um/h，V/III摩尔比小于等于100；
于所述高温非掺杂层上形成第一半导体层，所述第一半导体层的厚度介于1至3nm；
于所述第一半导体层上形成有源区量子阱层，所述有源区量子阱层由至少一层势垒层与至少一层势阱层堆栈形成，所述势垒层的厚度介于1至4nm，所述势阱层的厚度介于7至15nm；
于所述有源区量子阱层上形成第二半导体层，所述第二半导体层的厚度介于7至15nm。
2.一种发光二极管外延结构，其特征在于，通过权利要求1所述的金属氮化镓复合衬底外延生长方法制成。
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