專利名稱：利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法
技術領域：
本發明屬于半導體技術領域，特別涉及ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法。
背景技術：
發光二極管具有節能、環保、壽命長等優點，在各國政府的重視和推廣下，已經廣泛的應用于LCD背光、戶外顯示、景觀照明以及普通照明等領域。開展了人類照明史上的又
一次革命。藍寶石襯底因為成本相對較低而成為目前氮化鎵異質外延用的主流襯底。但是， 由于藍寶石和氮化鎵材料之間存在很大的晶格失配和熱失配，給氮化鎵外延層引入大量位錯和缺陷，缺陷密度高達IO8-IOicicnT2,造成載流子泄漏和非輻射復合中心的增多，從而降低器件的內量子效率。藍寶石圖形化襯底技木通過在襯底表面制作周期性微結構圖形，生長氮化鎵外延時改變了原來的生長模式，減少了應力，并抑制外延缺陷向上延伸，改善材料質量，提高內量子效率。針對藍寶石圖形襯底的氮化鎵外延，目前通常采用的方法是低溫生長氮化物成核層后，升溫退火再結晶。此時，晶核質量較差，密度很大，在此情況下生長得到氮化鎵外延結構，晶體質量仍然比較差。參照圖2，所描述的是傳統的在藍寶石圖形襯底上生長氮化鎵外延時初期的溫度曲線與反射率曲線。為了提高LED器件的效率和壽命，需要進ー步提高氮化鎵外延質量。
發明內容
本發明的目的在干，提供ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法， 其是通過引進第二成核層，進一歩改善氮化鎵外延層的晶體質量，提高器件的效率和壽命。本發明提供ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，該方法包括以下步驟步驟1 采用MOCVD技木，對圖形襯底進行高溫處理后，降溫；步驟2 在圖形襯底上生長ー氮化物成核層；步驟3 退火，實現成核層再結晶；步驟4 在結晶后的氮化物成核層上生長ー氮化鎵成核層；步驟5:第二次退火；步驟6 在氮化鎵成核層上依次生長非故意摻雜氮化鎵層、N型氮化鎵層、有源層和P型氮化鎵層，得到完整外延結構。該方法通過引入第二成核層，改善晶體質量，提高器件效率和壽命；同吋，使用該方法在圖形襯底上生長氮化鎵外延時具有很寬的生長ェ藝窗ロ。
為進ー步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1是本發明方法的流程圖。圖2是傳統的在藍寶石圖形襯底上生長氮化鎵外延時初期的溫度曲線與反射率曲線。圖3是本發明實施例的初期溫度曲線與反射率曲線。圖4是本發明實施例的GaN樣品(102)的X射線雙晶衍射曲線，橫坐標為ω方向掃描角度(弧秒)，縱坐標為相對強度。圖5是本發明實施例的GaN樣品(002)的X射線雙晶衍射曲線，橫坐標為ω方向掃描角度(弧秒)，縱坐標為相對強度。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，包括以下步驟步驟1 采用MOCVD技木，在MOCVD反應室里將藍寶石圖形襯底進行熱處理在氫氣氣氛下，溫度維持在1100-1180°C，持續烘烤600-2000秒，然后降溫。其中采用的MOCVD 技術，是利用氨氣做為氮源，氮氣或氫氣做載氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基銅和三甲基鋁分別做為鎵源、銅源和鋁源；硅烷為N型摻雜劑，ニ茂鎂為P型摻雜劑。其中所述的藍寶石圖形襯底的圖形底部尺寸為0. 5-5 μ m,圖形間距為0. 3-3 μ m,圖形高度為0. 5-3 μ m，且圖形呈六邊形分布。步驟2 在藍寶石圖形襯底上生長ー氮化物成核層，其中氮化物成核層的生長溫度為510-570°C，反應壓カ為400-800mbar。當成核層厚度達到25-60nm后，停止向反應室通入金屬源；步驟3 退火，實現成核層再結晶；把溫度升高退火溫度1020-1100で，升溫速率為1. 3-1. 6°C /秒。退火時間為200-500S，使得氮化物成核層在退火之后僅留下少量晶核。步驟4:在結晶后的氮化物成核層上生長ー氮化鎵成核層，其中氮化鎵成核層的生長溫度為 900-1000°C，氣壓為 400-800mbar, V/III 為 1500-3000，厚度為 20_100nm。調節溫度到900-1000°C，生長ー層高溫成核層。該高溫成核層在只有少量晶核的基礎上，且在比低溫成核高的多的溫度下，可以得到晶體質量更好的成核層。參照圖3，所描述的是本發明實施例的初期溫度曲線與反射率曲線，其第二次成核時的溫度和反射率與使用傳統方法生長時溫度和反射率有很大不同，這ー步是改善氮化鎵外延質量的關鍵和基礎。步驟5 第二次退火，其中第二次退火的溫度為1020-1100°C，退火的時間為 30-200S。此時藍寶石圖形沉底上的氮化鎵島狀晶核具有質量好，尺寸大，密度小等特點，能夠很好的改善后續生長的LED外延層的質量。步驟6 在氮化鎵成核層上依次生長非故意摻雜氮化鎵層、N型氮化鎵層、有源層和P型氮化鎵層，得到完整外延結構。參照圖4、圖5。他們分別是本發明實施例的氮化鎵樣品(102)、(002)的X射線雙晶衍射曲線，其中橫坐標為ω方向掃描角度(弧秒)，縱坐標為相對強度。X射線雙晶衍射曲線FWHM很小，均小于300弧秒，表明氮化鎵外延晶體質量有提高，進而可以提高器件效率和壽命；同吋，使用該方法在藍寶石圖形襯底上生長氮化鎵外延結構時具有很寬的生長エ 藝窗ロ。 本發明的具體實施方案已說明如上，熟悉本領域的技術人員可以在不違背本發明的精神及范圍內，根據上述說明對實施例進行修改。因此本發明的權利保護范圍，應如權利要求書的內容為準。
權利要求
1.ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，該方法包括以下步驟步驟1 采用MOCVD技木，對圖形襯底進行高溫處理后，降溫；步驟2 在圖形襯底上生長ー氮化物成核層；步驟3 退火，實現成核層再結晶；步驟4 在結晶后的氮化物成核層上生長ー氮化鎵成核層；步驟5 第二次退火；步驟6:在氮化鎵成核層上依次生長非故意摻雜氮化鎵層、N型氮化鎵層、有源層和P型氮化鎵層，得到完整外延結構。
2.根據權利要求1所述的ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，其中圖形襯底的圖形底部尺寸為0. 5-5 μ m,圖形間距為0. 3-3 μ m,圖形高度為0. 5-3 μ m，且圖形呈六邊形分布。
3.根據權利要求1所述的ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，其中采用MOCVD技術，是利用氨氣做為氮源，氮氣或氫氣做載氣，三甲基鎵或三乙基鎵、三甲基銅和三甲基鋁分別做為鎵源、銅源和鋁源；硅烷為N型摻雜劑，ニ茂鎂為P型摻雜劑。
4.根據權利要求1所述的ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，其中生長氮化物成核層的510-570°C，厚度為25-60nm。
5.根據權利要求1所述的ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，其中退火溫度為1020-1100°C，退火時間為200-500s。
6.根據權利要求1所述的ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，其中生長氮化鎵成核層的溫度為900-1000°C，厚度為20-100nm。
7.根據權利要求1所述的ー種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，其中第二次退火的溫度為1020-1100°C，退火的時間為30-200S。
全文摘要
一種利用雙成核層生長高質量氮化鎵外延結構的方法，該方法包括以下步驟步驟1采用MOCVD技術，對圖形襯底進行高溫處理后，降溫；步驟2在圖形襯底上生長一氮化物成核層；步驟3退火，實現成核層再結晶；步驟4在結晶后的氮化物成核層上生長一氮化鎵成核層；步驟5第二次退火；步驟6在氮化鎵成核層上依次生長非故意摻雜氮化鎵層、N型氮化鎵層、有源層和P型氮化鎵層，得到完整外延結構。本發明能有效的提高器件的效率和使用壽命，同時該發明方法具有較大的工藝生長窗口。
文檔編號H01L33/00GK102544271SQ20121007570
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者伊曉燕, 姚然, 李志聰, 李晉閩, 李璟, 李盼盼, 李鴻漸, 梁萌, 王兵, 王軍喜, 王國宏 申請人:中國科學院半導體研究所