一种提高外延晶体质量的外延生长方法技术

本发明专利技术提供一种提高外延晶体质量的外延生长方法，能有效提升LED外延的晶体质量。该外延生长方法包括以下步骤：1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一缓冲层；2)高温生长第一U-GaN层,生长厚度应保证第一U-GaN层未完全覆盖PSS图形，即有PSS尖部高出第一U-GaN层表面；3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二缓冲层；4)高温生长第二U-GaN层,生长厚度应保证第二U-GaN层完全覆盖PSS图形；5)依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层，最后在氮气氛围下退火。

【技术实现步骤摘要】
一种提高外延晶体质量的外延生长方法
：本专利技术属于半导体电子器件制备技术，特别涉及一种新的生长LED外延生长方法。
技术介绍
：作为第三代半导体材料的代表,GaN材料具有禁带宽度大、耐高温等诸多优异性能。因此,GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、白光照明以及医疗和军事等领域都具有广阔应用。其中最引人注目的是利用GaN基发光二极管(LED)加上荧光粉合成白光实现白光照明。目前大多采用MOCVD设备在蓝宝石衬底上生长GaN，然而,蓝宝石衬底和GaN材料的晶格常数存在较大的失配(16％),导致蓝宝石衬底上生长GaN晶体具有很高的位错密度，晶体质量很差，造成载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响,使得器件内量子效率下降。随着工艺的不断改进，人们开始采用图形化衬底技术(PSS)，即通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，改变GaN的生长过程,人为的在衬底表面制造周期性的成核中心，能有效抑制材料中位错的生成,提高晶体质量，使器件的内量子效率得到提升。例如，先以锥形PSS作为生长基底，低温生长缓冲层；然后高温生长U-GaN层,生长厚度保证U-GaN层完全覆盖PSS图形；再依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层，最后在氮气氛围下退火。不过，目前人为制造的成核中心虽然一定程度上减少了位错的生成，但在PSS图形之间区域仍存在大量位错(如图1)，这是由蓝宝石衬底材料和GaN材料之间的巨大晶格失配造成的。
技术实现思路
：本专利技术提出一种新的LED外延生长方法，能有效提升LED外延的晶体质量。本专利技术的解决方案如下：该外延生长方法，包括以下步骤：1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一缓冲层；2)高温生长第一U-GaN层,生长厚度应保证第一U-GaN层未完全覆盖PSS图形，即有PSS尖部高出第一U-GaN层表面；3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二缓冲层；4)高温生长第二U-GaN层,生长厚度应保证第二U-GaN层完全覆盖PSS图形；5)依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层，最后在氮气氛围下退火。以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。基于上述方案，本专利技术还进一步作如下优化限定：第一U-GaN层厚度为0.5um-2.0um，第二缓冲层厚度为5nm-40nm，第二U-GaN层厚度为1.0um-2.0um。步骤3)中退火温度为1000℃-1200℃，时间为1min-10min。第一缓冲层和第二缓冲层均为AlxGa1-xN，0≤x≤1。即X＝0时，第一缓冲层和第二缓冲层为GaN；x＝1时，缓冲层为AlN；x在0到1之间时，缓冲层为AlGaN。采用上述外延生长方法制得的LED外延片，包括锥形PSS基底、缓冲层、U-GaN层、掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层以及掺杂p型GaN层；相比现有的LED外延片结构，其特殊之处是：所述缓冲层和U-GaN层整体上分为依次生长的第一缓冲层、第一U-GaN层、第二缓冲层以及第二U-GaN层，其中第一U-GaN层未完全覆盖PSS图形，第二U-GaN层完全覆盖PSS图形。本专利技术具有以下有益效果：1、生长完U-GaN-1之后在NH3环境中对样品进行退火，在高温中，U-GaN-1表面界面能较大的晶粒发生解吸附，表面原子出现迁移重组现象，使U-GaN-1的缺陷减少，表面变平整。2、厚度较薄的U-GaN-1保留了部分PSS图形在GaN膜层外，为后续的buffer-2和U-GaN-2外延生长提供周期性的成核中心,提高晶体质量。3、在U-GaN-1层上生长buffer-2层，相比于在蓝宝石衬底上生长的buffer-1层，在GaN材料基底上生长的buffer-2层能提供具有更少缺陷、更小内应力和更少晶体取向差异的晶粒。从而为后续生长的U-GaN-2提供更好的基础，有效减小晶体的缺陷密度，提高晶体质量。附图说明：图1为现有技术在PSS图形之间区域造成大量位错的示意图。图2为本专利技术的LED的外延整体结构图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的描述。本专利技术采用锥形PSS作为生长基底进行外延生长，首先在蓝宝石衬底上生长一层buffer-1,然后再高温生长一层较薄的无掺杂U-GaN-1,使GaN层未完全覆盖PSS图形，即有PSS尖部高出U-GaN-1平面，之后在NH3环境中对样品进行高温退火，再降至低温，再生长第二层buffer-2，之后再生长一层无掺杂的高温U-GaN-2,接着再生长一层掺杂SiH4的n-GaN，之后再生长多量子阱有源层，然后生长掺杂p型AlGaN阻挡层，接着生长一层掺杂p型GaN层。如图2。本专利技术运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，和氮源,硅源,镁源。实施例一：本专利技术LED外延的具体生长过程和较佳参数示例如下：1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100℃烘烤10分钟。2.降温至620℃生长一层厚度为20nm的低温GaNbuffer-1层，一般为AlxGa1-xN(0＜x＜1)生长压力为500torr。3.升温至1165℃生长一层约厚度1.3um的无掺杂U-GaN-1层，生长压力为200torr。4.在NH3环境中，升温至1170℃，退火5min，压力为200torr。5.降温至620℃生长一层厚度为10nm的低温GaNbuffer-2层，生长压力为500torr。6.再升温至1165℃生长一层约厚度1.0um的无掺杂U-GaN-2层，生长压力为200torr。7.升温至1170℃，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的n-GaN层，生长压力为200torr。8.切换载气，由氢气变为氮气，压力为200torr，生长多量子阱层。9.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185℃，150torr，生长一层p型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为100torr。10.温度1080℃，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长压力为100torr。11.切换气体，由氢气变为氮气，在氮气氛围下1200℃中退火20min。此生长过程结束。实施例二(传统方案)：1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100℃烘烤10分钟。2.降温至620℃生长一层厚度为20nm的低温GaNbuffer-1层，生长压力为500torr。3.再升温至1165℃生长一层约厚度2.0um的无掺杂U-GaN-2层，生长压力为200torr。4.升温至1170℃，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的n-GaN层，生长压力为200torr。5.切换载气，由氢气变为氮气，压力为200torr，生长多量子阱层。6.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185℃，150torr,生长一层p型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为100torr。7.温度1080℃，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高外延晶体质量的外延生长方法，包括以下步骤：1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一缓冲层；2)高温生长第一U‑GaN层,生长厚度应保证第一U‑GaN层未完全覆盖PSS图形，即有PSS尖部高出第一U‑GaN层表面；3)在NH3环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二缓冲层；4)高温生长第二U‑GaN层,生长厚度应保证第二U‑GaN层完全覆盖PSS图形；5)依次生长掺杂SiH4的n‑GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层，最后在氮气氛围下退火。

【技术特征摘要】
1.一种提高外延晶体质量的外延生长方法，包括以下步骤：1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一缓冲层；2)高温生长第一U-GaN层,生长厚度应保证第一U-GaN层未完全覆盖PSS图形，即有PSS尖部高出第一U-GaN层表面；3)在NH3环境中进行高温退火，退火温度为1000℃-1200℃，时间为1min-10min；然后降至低温，再生长第二缓冲层；4)高温生长第二U-GaN层,生长厚度应保证第二U-GaN层完全覆盖PSS图形；5)依次生长掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层，最后在氮气氛围下退火。2.根据权利要求1所述的提高外延晶体质量的外延生长方法，其特征在于：第一U-GaN层厚度为0.5um-2.0um，第二缓冲层厚度为5nm-40nm，第二U-GaN层厚度为1.0um-2.0um。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：商毅博，
申请(专利权)人：西安神光皓瑞光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61