專利名稱：降低位錯(cuò)缺陷的GaN基LED芯片外延生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降低位錯(cuò)缺陷的GaN基LED芯片外延生長方法，屬于光電子技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以GaN為代表的三族氮化物(AlN、GaN、 InN、AlGalnN)由于具有優(yōu)良的光電特性， 因而在藍(lán)光、綠光、紫外發(fā)光二極管(LED)及高頻、高溫大功率電子器件中得到廣泛應(yīng)用。 由于缺乏晶格匹配的襯底，三族氮化物都是異質(zhì)外延在其他材料上，常用的襯底有藍(lán)寶石、 碳化硅、硅、砷化鎵、氧化鋅等，常用的外延方法有金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子 束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)等。由于和襯底的晶格失配及熱失配很大，即使采 用低溫GaN緩沖層技術(shù)后，外延的氮化物中仍存在大量的缺陷，包括由于晶格失配導(dǎo)致的 位錯(cuò)、層錯(cuò)等。GaN基材料中的缺陷影響材料的發(fā)光性能，同時(shí)降低了發(fā)光二極管的可靠性。
現(xiàn)有的GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)由下至上依次為襯底、低溫GaN或A1N緩沖層、高溫 非摻雜GaN層、N型GaN層、MQW層(多量子阱層)、P型AlGaN層和P型GaN層。襯底可以 采用目前常用的藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底等，外延生長方法可使用MOCVD、HVPE等。
為進(jìn)一步提高GaN基材料的晶體質(zhì)量，研究者提出并使用了多種方法，包括多步 低溫緩沖層、側(cè)向外延法、圖形襯底等。這些方法都能有效地降低GaN材料中的位錯(cuò)缺陷， 但這些方法實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜，如側(cè)向外延需要先生長一定厚度的GaN然后再從生長系統(tǒng)取 出制作二氧化硅掩模，之后再放入生長系統(tǒng)進(jìn)行二次外延，整個(gè)過程復(fù)雜；圖形襯底是在生 長前先把襯底通過光刻、腐蝕等方法在襯底上作出一定形狀的圖形，之后再放入系統(tǒng)進(jìn)行 外延生長，屬于一次外延，但開始的圖形制作較復(fù)雜?！毒w生長雜志》第311巻第249頁發(fā) 表的Dislocation reduction in GaN with double MgxNy/AIN buffer layer by metal organicchemical vapor d印osition (《在金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積中采用雙層MgxNy/AIN 緩沖層降低GaN的位錯(cuò)》) 一文中提到藍(lán)寶石襯底上外延GaN材料時(shí)，在低溫氮化鋁緩沖層 前生長一層氮化鎂，能降低GaN材料中的位錯(cuò)，但從報(bào)道結(jié)果看，對缺陷的降低作用非常有 限。 中國專利文獻(xiàn)CN1697134公開了《一種利用SiN膜原位制備圖形襯底的方法》，使 用常規(guī)的兩步生長法，在襯底上外延生長GaN緩沖層；在此GaN緩沖層上，使用常規(guī)的外延 方法，在600 120(TC淀積厚度為1 10nm、非均勻地分布有孔洞的SiN膜層。該文獻(xiàn)采 用原位SiN(氮化硅)掩模來降低GaN中的缺陷，但從實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)來看，在制作原位SiN 掩模時(shí)通入的SiHj硅烷)開始階段對GaN有強(qiáng)烈的腐蝕作用，使GaN表面出現(xiàn)很多孔洞， 導(dǎo)致GaN材料中的缺陷增多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有降低GaN基LED芯片外延生長中缺陷所采用方法存在的問題，提 供一種簡單易行、成本低、效果好的降低位錯(cuò)缺陷的GaN基LED芯片外延生長方法。
本發(fā)明的降低位錯(cuò)缺陷的GaN基LED芯片外延生長方法，包括以下步驟
(1)首先采用常規(guī)的低溫緩沖層生長方法在襯底上生長低溫GaN緩沖層或 Al,Ga卜，緩沖層，其中0 < x < 1，即在生長爐的反應(yīng)室內(nèi)500°C —700。C下生長20nm—60nm 厚的低溫GaN緩沖層或是在800 °C -1200 °C的高溫下生長厚度為10nm-120nm的高溫 AlxGai—，緩沖層；緩沖層生長后，使反應(yīng)室內(nèi)溫度保持80(TC —120(TC再在緩沖層上生長 100nm—2000nm的高溫非摻雜GaN層； (2)把反應(yīng)室內(nèi)的生長溫度調(diào)到600°C —110(TC，然后在反應(yīng)室內(nèi)單獨(dú)通入CP2Mg 和NH3，通入時(shí)間為2分鐘至10分鐘，CP2Mg和NH3發(fā)生反應(yīng)，在步驟(1)制作的高溫非摻 雜GaN層上形成一層具有孔洞的網(wǎng)狀MgN掩模，掩模厚度lnm-20nm，孔洞的橫向尺寸為 lnm-1000nm，密度為1 X 109個(gè)一1 X 1012個(gè)/cm2 ; 反應(yīng)初始，形成的MgN較少，MgN在高溫非摻雜GaN層表面上呈現(xiàn)均勻分布的單個(gè) 小島狀，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，單個(gè)MgN小島的體積和橫向面積逐漸增加，然后單個(gè)小島之 間相遇合并，合并時(shí)由于單個(gè)小島的形狀是不規(guī)則的，在合并區(qū)域存在大量沒有MgN而露 出GaN的孔洞，通過通入CP2Mg的時(shí)間控制這些孔洞的大小和密度。 (3)然后把生長溫度升高到800度-1200度，在MgN掩模層上繼續(xù)生長lum厚的高 溫非摻雜GaN層，在這層高溫非摻雜GaN層上按常規(guī)方法繼續(xù)生長GaN基LED芯片的其它 外延材料，包括摻Si的N型GaN層、銦稼氮/氮化鎵多量子阱、P型AlGaN層和摻鎂的P型 GaN層。 上述方法所采用的MgN掩膜在實(shí)際操作上簡單易行，只需調(diào)節(jié)CP2Mg和NH3的通 入時(shí)間即可控制MgN掩膜的厚度及其在GaN上的覆蓋度，通常這一層的時(shí)間在2分鐘至10 分鐘。MgN掩膜的厚度在l-lOnm之間，選擇合適的厚度使GaN表面覆蓋均勻，且露出部分 GaN。在MgN掩膜上重新生長其它外延材料時(shí)，掩模位置難以生長GaN，這樣掩模下的缺陷會(huì) 被MgN阻擋；沒有MgN掩模處才繼續(xù)生長GaN材料，當(dāng)繼續(xù)生長GaN材料超過掩模厚度后， GaN進(jìn)行橫向生長，而橫向生長的材料中位錯(cuò)缺陷密度很少。通過加入這層掩模，最終獲得 低位錯(cuò)、高質(zhì)量的GaN層。 本發(fā)明采用原位制作納米掩模圖形的方法，降低GaN基材料中的位錯(cuò)缺陷，提高 材料晶體質(zhì)量，進(jìn)而改善發(fā)光器件的性能，不需要二次外延，不需要經(jīng)過光刻、腐蝕等復(fù)雜 步驟來制作圖形，具有實(shí)現(xiàn)方法簡單易行、成本低等優(yōu)點(diǎn)。與SiN掩模相比，制作MgN掩模 時(shí)對GaN材料沒有腐蝕作用，這樣在沒有掩模處的GaN不會(huì)弓|入更多的缺陷，能獲得更高質(zhì) 量的GaN材料。


圖1是原位MgN掩模的平面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明采用原位MgN后生長的GaN基LED外延材料的結(jié)構(gòu)示意圖。其中l(wèi)、襯底，2、100nm—2000nm厚的高溫非摻雜GaN層，3、 MgN復(fù)合物，4、l咖厚
的高溫非摻雜GaN層，5、其它外延材料。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例l
先把藍(lán)寶石襯底1放入MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)生長爐的反應(yīng)室內(nèi)，反 應(yīng)室在^氛圍下升溫到110(TC對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行15分鐘的熱處理，然后用IO分鐘降低溫 度至535°C ，在襯底上生長一層厚30nm的低溫GaN緩沖層，采用的源材料是三甲基鎵和NH3。 然后使反應(yīng)室在8分鐘內(nèi)升高溫度至106(TC，這個(gè)過程對低溫GaN緩沖層進(jìn)行熱退火使之 重新結(jié)晶，在此溫度下生長100nm—2000nm厚的高溫非摻雜GaN層2。然后在反應(yīng)室內(nèi)單獨(dú) 通入Cp2Mg ( 二茂鎂)源和NH3，兩者反應(yīng)形成MgN復(fù)合物3，均勻的覆蓋在高溫GaN層2上， 通入CP2Mg時(shí)間為3分鐘，MgN的厚度達(dá)到lnm-8nm，形成如圖1所示的具有孔洞的網(wǎng)狀MgN 掩模，孔洞的橫向尺寸為2nm-20nm，密度為1E9個(gè)-9E10個(gè)/cm2。 之后再在MgN覆蓋物上接著生長lum厚的高溫非摻雜GaN層4，生長條件和 100nm—2000nm厚的高溫非摻雜層2 —樣。最后按現(xiàn)有常規(guī)方法外延生長GaN基LED芯片 的其它外延材料4，包括摻Si的n型GaN(摻Si量一般為5E17個(gè)原子/cm3_5E19個(gè)原子/ cm3)、銦稼氮/氮化鎵多量子阱、摻鎂氮化鎵(摻Mg量一般為5E19個(gè)原子/cm3-5E21個(gè)原 子/cm3)等。原位MgN覆蓋物相當(dāng)于納米尺寸的掩模，重新生長的GaN開始階段有一個(gè)側(cè) 向外延的過程，這樣能降低GaN材料中的位錯(cuò)缺陷。
實(shí)施例2 先把SiC襯底l放入M0CVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室在H2氛圍下升溫到IIO(TC 對襯底進(jìn)行15分鐘的熱處理，然后用3分鐘降低溫度至IOO(TC -IIO(TC，在襯底上生長厚 度10nm-200nm的高溫AlxGal-xN緩沖層，其中0 < x < 1。之后把溫度降低到1070度，通 入6分鐘的NH3和CP2Mg，形成MgN掩模。之后在MgN覆蓋物上接著生長lum厚的高溫非摻 雜GaN層4。最后外延GaN基LED芯片的其它外延材料5，包括摻Si的n型GaN、銦稼氮/ 氮化鎵多量子阱、摻鎂氮化鎵等。
實(shí)施例3 先把Si襯底1放入MOCVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室在^氛圍下升溫到IIO(TC對 Si襯底進(jìn)行15分鐘的熱處理，然后用5分鐘降低溫度至IOO(TC，在襯底上生長10nm-30nm 的高溫AlxGal-xN緩沖層，其中0 < x < 1。然后通入10分鐘的NH3和CP2Mg，形成氮化鎂 掩模3。之后在MgN覆蓋物上接著生長lum厚的高溫非摻雜GaN層4。最后外延GaN基LED 芯片的其它外延材料5，包括摻Si的n型GaN、銦稼氮/氮化鎵多量子阱、摻鎂氮化鎵等。
權(quán)利要求
一種降低位錯(cuò)缺陷的GaN基LED芯片外延生長方法，包括以下步驟(1)首先采用常規(guī)的低溫緩沖層生長方法在襯底上生長低溫GaN緩沖層或AlxGa1-xN緩沖層，其中0＜x＜1，即在生長爐的反應(yīng)室內(nèi)500℃--700℃下生長20nm--60nm厚的低溫GaN緩沖層或是在800℃-1200℃的高溫下生長厚度為10nm-120nm的高溫AlxGa1-xN緩沖層；緩沖層生長后，使反應(yīng)室內(nèi)溫度保持800℃--1200℃再在緩沖層上生長100nm--2000nm的高溫非摻雜GaN層；(2)把反應(yīng)室內(nèi)的生長溫度調(diào)到600℃--1100℃，然后在反應(yīng)室內(nèi)單獨(dú)通入CP2Mg和NH3，通入時(shí)間為2分鐘至10分鐘，CP2Mg和NH3發(fā)生反應(yīng)，在步驟(1)制作的高溫非摻雜GaN層上形成一層具有孔洞的網(wǎng)狀MgN掩模，掩模厚度1nm-20nm，孔洞的橫向尺寸為1nm-1000nm，密度為1×109個(gè)--1×1012個(gè)/cm2；(3)然后把生長溫度升高到800度-1200度，在MgN掩模層上繼續(xù)生長1um厚的高溫非摻雜GaN層，在這層高溫非摻雜GaN層上按常規(guī)方法繼續(xù)生長GaN基LED芯片的其它外延材料，包括摻Si的N型GaN層、銦稼氮/氮化鎵多量子阱、P型AlGaN層和摻鎂的P型GaN層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種降低位錯(cuò)缺陷的GaN基LED芯片外延生長方法。包括以下步驟(1)首先在襯底上生長低溫GaN緩沖層或AlxGal-xN緩沖層，再在緩沖層上生長高溫非摻雜GaN層；(2)把反應(yīng)室內(nèi)的生長溫度調(diào)到600℃～1100℃，然后在反應(yīng)室內(nèi)單獨(dú)通入CP2Mg和NH3，CP2Mg和NH3發(fā)生反應(yīng)，在步驟(1)制作的高溫非摻雜GaN層上形成MgN，通過通入CP2Mg的時(shí)間控制這些孔洞的大小和密度；(3)然后按常規(guī)方法繼續(xù)生長GaN基LED芯片的其它外延材料。本發(fā)明采用MgN原位制作納米掩模圖形，降低了GaN基材料中的位錯(cuò)缺陷，與SiN掩模相比，制作MgN掩模時(shí)對GaN材料沒有腐蝕作用，這樣在沒有掩模處的GaN不會(huì)引入更多的缺陷，能獲得更高質(zhì)量的GaN材料。
文檔編號H01L33/16GK101702418SQ20091001937
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者任忠祥, 吳亭, 吳德華, 徐現(xiàn)剛, 曲爽, 朱學(xué)亮, 李樹強(qiáng) 申請人:山東華光光電子有限公司