CN111341889B - 半导体照明外延结构形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体照明外延结构形成方法，包括提供一基板，依次在所述基板上形成半结晶性层、3D未掺杂层，形成3D未掺杂层后排出腔体内氮源，接着通入镓源且不通入氮源，通入镓源后通入氮源，通入氮源后形成N型掺杂层、有源层、P型掺杂层。本发明在形成3D未掺杂层后将腔体内氮源排出，此时岛状结构表面没有气体保护，腔体内的高温对岛状结构顶部氮化镓进行烘烤并产生一相对粗糙表面，通入镓源后分解产生液态金属镓覆盖在粗糙表面上对缺陷位错进行填充并得到一相对平整表面，再通入氮源，氮源与液态金属镓表面接触形成氮化镓，晶格重新排序并阻断前面形成的位错缺陷，提高了晶体质量。

Description

半导体照明外延结构形成方法
技术领域
本发明涉及汽车照明技术领域，具体涉及一种半导体照明外延结构形成方法。
背景技术
III-V族化合物半导体材料由于其较宽的直接带隙、良好的热学和化学稳定性，因而被广泛的应用于微电子和光电子器件领域。III-V族化合物中氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)是直接带隙半导体材料，其室温禁带宽度依次为3.39eV、6.28eV和1.95eV，氮化镓及其固溶体可用于制造从可见光到紫外波段的光电子器件，例如蓝光发光二极管、激光器和光电探测器，氮化镓材料可用于制作耐高温、大功率的电子器件，因而近来III-V族化合物受到广泛重视，然而，由于氮化物熔点高、离解压大，在制备单晶方面却进展缓慢，不利于氮化镓材料在照明器件方面的应用。
近年来通过金属有机化学气相沉积技术在基板上先低温生长半结晶性层，改善了外延层的表面形貌、晶体完整性并降低了本征电子浓度。通过利用掺镁(Mg)加低能电子辐照技术已获得了P型GaN外延层，于是P-N结氮化镓基发光二极管、铝镓氮/氮化镓和铟镓氮/氮化镓异质结发光二极管相继问世，用MOCVD技术生长的铟镓氮/氮化镓高效蓝光发光二极管已成为商品出售。
现有技术的氮化镓基发光二极管，主要包括通过金属有机化学气相沉积技术依次生长在基板上半结晶性层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、有源层、P型氮化镓层。其中有源层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，有源层位于N型氮化镓层和P型氮化镓层之间，通过芯片工序分别在N型氮化镓层和P型氮化镓层上形成电极，通电状态下N型氮化镓层产生的电子和P型氮化镓层产生的空穴在有源层中复合发光，但是在形成单晶过程中依然存在晶体质量不高、电性能差等不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种半导体照明外延结构形成方法，能够有效提高外延结构晶体质量及性能。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种半导体照明外延结构形成方法，包括提供一基板，位于所述基板上形成半结晶性层，位于所述半结晶性层上形成3D未掺杂层，形成3D未掺杂层后排出腔体内氮源，位于所述3D未掺杂层上通入镓源且不通入氮源，通入镓源后通入氮源，通入氮源后形成N型掺杂层，位于所述N型掺杂层上形成有源层，位于所述有源层上形成P型掺杂层；所述有源层包括周期性重叠的量子阱层和量子垒层，量子阱层为铟镓氮层，量子垒层为氮化镓层。
可选的，通入镓源后通入的氮源中还包括碳源。
可选的，所述氮源与碳源流量比为1:(0.001～0.005)。
可选的，所述氮源流量为10～50slm。
可选的，所述氮源流量为30slm。
可选的，通入镓源中包含氢气。
可选的，所述镓源与氢气流量比为1:(10～40)。
可选的，通入镓源中包含铟源。
可选的，所述镓源与铟源流量比为1:(0.2～0.6)。
可选的，所述镓源与铟源流量比为1:0.4。
本发明的有益效果是：本发明通过在形成3D未掺杂层后先排出腔体内氮源，然后在3D未掺杂层上通入镓源且不通入氮源，通入镓源后再通入氮源，将腔体内氮源排出，此时岛状结构表面没有气体保护，腔体内的高温对岛状结构顶部氮化镓进行烘烤并产生一相对粗糙表面，通入镓源后分解产生液态金属镓覆盖在粗糙表面上对缺陷位错进行填充并得到一相对平整表面，再通入氮源，氮源与液态金属镓表面接触形成氮化镓，晶格重新排序并阻断前面形成的位错缺陷，提高了晶体质量。
附图说明
图1为根据本发明提供的方法得到的外延结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明提供的半导体照明外延结构形成方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心在于提供一种半导体照明外延结构形成方法，包括提供一基板1，位于基板1上形成半结晶性层2，位于半结晶性层2上形成3D未掺杂层3，形成3D未掺杂层3后排出腔体内氮源，位于3D未掺杂层3上通入镓源且不通入氮源，通入镓源后通入氮源，通入氮源后形成N型掺杂层4，位于N型掺杂层4上形成有源层5，位于有源层5上形成P型掺杂层6；有源层5包括周期性重叠的量子阱层51和量子垒层52，量子阱层51为铟镓氮层，量子垒层52为氮化镓层，得到的外延结构如图1所示。
半结晶性层晶体状态介于单晶与多晶之间，3D未掺杂层以三维模式生长在半结晶性层形成岛状结构，现有技术在3D未掺杂层生长结束后生长2D未掺杂层，2D未掺杂层以二维模式生长将岛状结构填平，由于岛状结构中各岛高度不同，相邻岛之间间距不一，二维模式生长时难以将岛状结构填平得到理想表面，在填平岛状结构过程中形成的位错缺陷逐步向上延伸，降低了晶体质量，形成3D未掺杂层后先排出腔体内氮源，然后在3D未掺杂层上通入镓源且不通入氮源，通入镓源后再通入氮源，将腔体内氮源排出，此时岛状结构表面没有气体保护，腔体内的高温对岛状结构顶部氮化镓进行烘烤并产生一相对粗糙表面，通入镓源后分解产生液态金属镓覆盖在粗糙表面上对缺陷位错进行填充并得到一相对平整表面，再通入氮源，氮源与液态金属镓表面接触形成氮化镓，晶格重新排序并阻断前面形成的位错缺陷，提高了晶体质量。
本实施例中，基板1的材料为蓝宝石、碳化硅、硅或氮化镓等。
基板材料是决定光源颜色、亮度、寿命等性能指标的重要因素，基板材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格是否匹配，这些因素与光源发光效率与稳定性密切相关。
本实施例中，基板1为平板或者图形化基板，使用图形化基板可以提高光的散射，图形化基板图案是按六边形密排的尺寸为微米量级的三角状、锥状、柱状或者其他形状阵列，可以将光源光提取效率提高至60％以上，同时利用图形化基板可以控制结晶过程中位错的延伸方向从而有效降低位错密度。
接着，在基板1上形成半结晶性层2。
本实施例中，半结晶性层2的材料为氮化镓、氮化铝或铝镓氮，形成半结晶性层2的温度为400℃～700℃，压力300Torr～700Torr，厚度为10nm～50nm。
半结晶性层晶体状态介于单晶与多晶之间，异质外延(基板材料与氮化镓材料不同)中存在较为严重的晶格失配和热应力失配，通过生长一层半结晶性层可以有效的减少两种不同材料之间的晶格失配和热应力失配。在其他实施例中，当为同质外延时可以省却该半结晶性层。
接着，在半结晶性层2上形成3D未掺杂层3。
本实施例中，形成3D未掺杂层3的温度为900℃～1200℃，压力100Torr～500Torr，厚度为0.5um～3um。
本实施例中，3D未掺杂层3以三维模式生长并形成岛状结构。
接着，排出腔体内氮源。
本实施例中，保持腔体温度为300℃～900℃，压力由100Torr～500Torr逐渐降低至0Torr。
本实施例中，排出腔体内氮源通过关闭进气氮源同时打开尾气排气完成。
本实施例中，腔体内氮源指含氮气体，如氮气、氨气等。
本实施例中，控制排出腔体内氮源时间在1～10min范围内。
作为本实施例优选，控制排出腔体内氮源时间在3～7min范围内，作为本实施例更进一步优选，控制排出腔体内氮源时间在4～6min范围内，作为本实施例最佳优选，控制排出腔体内氮源时间为5min。
作为本实施例优选，排出腔体内氮源时保持腔体温度为500℃～700℃，作为本实施例更进一步优选，保持腔体温度为550℃～650℃，作为本实施例最佳优选，保持腔体温度为600℃。
在排出腔体内氮源过程中，如果温度过高会破坏已经形成的晶格结构，温度过低则不足以形成粗糙表面。
作为本实施例优选，排出腔体内氮源时腔体温度随时间逐渐降低。
具体的，在排出腔体内氮源时腔体温度以10～50℃/min降低。例如可以是以15℃/min、25℃/min、35℃/min、或45℃/min任一数值降低，或者10～20℃/min、20～30℃/min、30～40℃/min、40～50℃/min任一区间内任一数值降低。
腔体内氮源气体对形成的3D未掺杂层具有保护作用，在排出腔体内氮源过程中，氮源流量逐渐降低，保护作用逐渐减弱，将腔体温度同步降低可以使该过程中形成的表面形貌更为均一。
接着，位于3D未掺杂层3上通入镓源且不通入氮源。
本实施例中，保持腔体温度为700℃～1200℃，压力为100Torr～500Torr。
本实施例中，所述镓源为三甲基镓、三乙基镓中的一种或者多种，优选三乙基镓。
本实施例中，控制通入镓源时间2～10min。例如可以是3min、5min、7min或9min，或2～4min、4～6min、6～8min、8～10min任一区间任一数值。
本实施例中，控制通入镓源流量1～50sccm。例如可以是5sccm、15sccm、25sccm、35sccm或45sccm，或1～10sccm、10～20sccm、20～30sccm、30～40sccm、40～50sccm任一区间任一数值。
通入镓源后分解产生液态金属镓覆盖在3D未掺杂层粗糙表面上对缺陷位错进行填充并得到一相对平整表面。
接着，通入氮源。
本实施例中，保持腔体温度为1000℃～1200℃，压力为100Torr～500Torr。
本实施例中，所述氮源为氨气，在其他实施例中也可以为其他含氮可分解化合物。
本实施例中，控制通入氮源时间2～20min。例如可以是3min、5min、7min、9min、11min、13min、15min、17min或19min，或2～4min、4～6min、6～8min、8～10min、10～12min、12～14min、14～16min、16～18min、18～20min任一区间任一数值。
本实施例中，控制通入氮源流量10～50slm。例如可以是15slm、25slm、35slm或45slm，或10～20slm、20～30slm、30～40slm、40～50slm任一区间任一数值。
氮源分解与液态金属镓反应形成氮化镓，晶格重新排序并阻断前面形成的位错缺陷。
本实施例中，通过控制通入氮源时间和流量确保液态金属镓完全反应。
作为本实施例优选，通入的氮源中还包括碳源。
本实施例中，所述碳源为为甲烷、乙烷、乙炔、丙烷中的这一种或者多种。
碳源在液态金属镓表面形成碳二维结构，碳二维结构融合在氮化镓六方晶格结构中，提高N型掺杂层中载流子迁移率并改善晶体质量。
本实施例中，氮源与碳源流量比为1:(0.001～0.005)。例如可以是1:0.001、1:0.002、1:0.003、1:0.004或1:0.005，或者1:(0.001～0.005)范围内任一比值。
具体的，在氮源流量10～50slm范围，控制碳源流量在0.01～0.25slm范围。例如可以是0.02slm、0.04slm、0.06slm、0.08slm、0.10slm、0.12slm、0.14slm、0.16slm、0.18slm、0.20slm、0.22slm或0.24slm，或0.01～0.03slm、0.03～0.05slm、0.05～0.07slm、0.07～0.09slm、0.09～0.11slm、0.11～0.13slm、0.13～0.15slm、0.15～0.17slm、0.17～0.19slm、0.19～0.21slm、0.21～0.23slm、0.23～0.25slm任一区间任一数值。
作为本实施例优选，通入镓源中包含氢气。
镓源中包含氢气不仅可以提高镓源分解效率，同时由于氢气分子小，氢气在3D未掺杂层岛状结构中流动带走岛状结构间隙内的杂质清洁表面，减少杂质污染，促使液态金属镓在3D未掺杂层表面分布更为均匀。
本实施例中，镓源与氢气流量比为1:(10～40)。例如可以是1:10、1:15、1:25、1:35或1:40任一比值，或者1:(10～20)、1:(20～30)、1:(30～40)任一区间任一比值。
具体的，在镓源流量1～50sccm范围，控制氢气流量在10～2000sccm范围。例如氢气流量可以是55sccm、155sccm、255sccm、355sccm、455sccm、555sccm、655sccm、755sccm、855sccm、955sccm、1055sccm、1155sccm、1255sccm、1355sccm、1455sccm、1555sccm、1655sccm、1755sccm、1855sccm或1955sccm，或10～100sccm、100～200sccm、200～300sccm、300～400sccm、400～500sccm、500～600sccm、600～700sccm、700～800sccm、800～900sccm、900～1000sccm、1000～1100sccm、1100～1200sccm、1200～1300sccm、1300～1400sccm、1400～1500sccm、1500～1600sccm、1600～1700sccm、1700～1800sccm、1800～1900sccm、1900～2000sccm任一区间任一数值。
作为本实施例优选，通入镓源中包含铟源。
本实施例中，所述铟源为三甲基铟，在其他实施例中，所述铟源还可以为其他含铟化合物。
在镓源中通入铟源，分解产生的铟与液态金属镓融合形成熔融物有助于减少液态金属镓与3D未掺杂层接触面缺陷，改善界面质量，同时在后续通入氮源形成氮化镓过程中铟掺入氮化镓晶格中改善氮化镓自身质量。
本实施例中，镓源与铟源流量比为1:(0.2～0.6)。例如可以是1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5或1:0.6任一比值，或者1:(0.2～0.6)范围内任一比值。
具体的，在镓源流量1～50sccm范围，控制铟源流量在0.2～30sccm范围。例如铟源流量可以是1sccm、3sccm、5sccm、7sccm、9sccm、11sccm、13sccm、15sccm、17sccm、19sccm、21sccm、23sccm、25sccm、27sccm或29sccm，或者0.2～2sccm、2～4sccm、4～6sccm、6～8sccm、8～10sccm、10～12sccm、12～14sccm、14～16sccm、16～18sccm、18～20sccm、20～22sccm、22～24sccm、24～26sccm、26～28sccm、28～30sccm任一区间任一数值。
接着，在3D未掺杂层3上形成N型掺杂层4。
本实施例中，N型掺杂层4可以是四价硅原子取代三价镓原子形成电子，形成N型掺杂层4的温度为900℃～1200℃，压力100Torr～500Torr，厚度为4.5um～9um，掺杂浓度为2e18cm-3～6e20cm-3。
本实施例中，使用硅烷作为硅源。
接着，在N型掺杂层4上形成有源层5。
本实施例中，形成有源层5的温度为700℃～900℃，压力100Torr～300Torr，厚度为25nm～320nm。
本实施例中，形成有源层5包括在N型掺杂层4上依次周期层叠的量子阱层51和量子垒层52，有源层5由5～20组周期层叠的量子阱层51和量子垒层52组成，量子阱层51厚度为2.0nm～4.0nm，量子垒层52厚度为3.0nm～12.0nm。
本实施例中，量子阱层51通过在氮化镓层中掺铟形成铟镓氮，量子垒层52为氮化镓层，由于过高的温度使铟难以掺入进氮化镓，一般形成量子阱层51的温度低于形成量子垒层52的温度，温差大约在60～160℃。
在外界电流作用下，N型掺杂层4产生的电子与P掺杂层6产生的空穴在有源层5中复合发光，因而有源层结构对光源发光有着重要的影响。
最后，在有源层5上形成P型掺杂层6。
本实施例中，P型掺杂层6可以是二价镁原子取代三价镓原子形成空穴。
本实施例中，形成P型掺杂层6的温度为800℃～1200℃，压力100Torr～500Torr，厚度为50nm～300nm，掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
本实施例中，使用二茂镁作为镁源。
本实施例中，在P型掺杂层6表面部分区域进行刻蚀至N型掺杂层4并暴露出N型掺杂层4，在N型掺杂层4设置负电极，在P型掺杂层6设置正电极，将正电极、负电极与电源接通发光。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种半导体照明外延结构形成方法，包括提供一基板，位于所述基板上形成半结晶性层，位于所述半结晶性层上形成3D未掺杂层，其特征在于，形成3D未掺杂层后排出腔体内氮源，位于所述3D未掺杂层上通入镓源且不通入氮源，通入镓源后通入氮源，通入氮源后形成N型掺杂层，位于所述N型掺杂层上形成有源层，位于所述有源层上形成P型掺杂层；所述有源层包括周期性重叠的量子阱层和量子垒层，量子阱层为铟镓氮层，量子垒层为氮化镓层。
2.如权利要求1所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，通入镓源后通入的氮源中还包括碳源。
3.如权利要求2所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，所述氮源与碳源流量比为1:(0.001～0.005)。
4.如权利要求3所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，所述氮源流量为10～50slm。
5.如权利要求4所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，所述氮源流量为30slm。
6.如权利要求1或2所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，通入镓源中包含氢气。
7.如权利要求6所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，所述镓源与氢气流量比为1:(10～40)。
8.如权利要求6所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，通入镓源中包含铟源。
9.如权利要求8所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，所述镓源与铟源流量比为1:(0.2～0.6)。
10.如权利要求9所述的半导体照明外延结构形成方法，其特征在于，所述镓源与铟源流量比为1:0.4。
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