本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，一種在金屬氮化鎵復(fù)合襯底上外延無裂紋高晶體質(zhì)量LED外延層的方法.

背景技術(shù)：

LED的散熱現(xiàn)在越來越為人們所重視，這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān)，散熱不好結(jié)溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。光衰和結(jié)溫的關(guān)系圖(圖1)中可以看出，結(jié)溫假如能夠控制在65℃，那么其光衰至70％的壽命可以高達(dá)10萬小時！這是人們夢寐以求的壽命，可是真的可以實現(xiàn)嗎？是的，只要能夠認(rèn)真地處理它的散熱問題就有可能做到！遺憾的是，現(xiàn)在實際的LED燈的散熱和這個要求相去甚遠(yuǎn)！以致LED燈具的壽命變成了一個影響其性能的主要問題，所以必須要認(rèn)真對待！而且，結(jié)溫不但影響長時間壽命，也還直接影響短時間的發(fā)光效率。以結(jié)溫為25度時的發(fā)光為100％，那么結(jié)溫上升至60度時，其發(fā)光量就只有90％；結(jié)溫為100度時就下降到80％；140度就只有70％。可見改善散熱，控制結(jié)溫是十分重要的事。除此以外LED的發(fā)熱還會使得其光譜移動；色溫升高；正向電流增大(恒壓供電時)；反向電流也增大；熱應(yīng)力增高；熒光粉環(huán)氧樹脂老化加速等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設(shè)計中最為重要的一個問題。

LED芯片的特點是在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導(dǎo)出去，否則就會產(chǎn)生很高的結(jié)溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們在LED的芯片結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很多改進(jìn)。為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進(jìn)就是采用導(dǎo)熱性更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si(硅)作為襯底。后來就改為藍(lán)寶石作襯底。但是藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性能不太好，(在100℃時約為25W/(m-K))。采用金屬氮化鎵復(fù)合襯底可以有效解決LED散熱問題，然而由于金屬襯底和氮化鎵外延層之間存在較大的熱失配，在金屬氮化鎵復(fù)合襯底外延生長初期的應(yīng)力釋放層顯得尤為重 要。本專利提供一種在金屬氮化鎵復(fù)合襯底上外延無裂紋高晶體質(zhì)量LED外延層的方法，通過優(yōu)化生長參數(shù)，獲得無裂紋高晶體質(zhì)量金屬氮化鎵復(fù)合襯底LED。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種在金屬氮化鎵復(fù)合襯底上外延無裂紋高晶體質(zhì)量LED外延層的方法。通過優(yōu)化金屬氮化鎵復(fù)合襯底初始生長參數(shù)：生長載氣、生長速率、生長溫度等參數(shù)有效緩解金屬襯底和GaN外延層之間的熱失配，提高GaN外延層的晶體質(zhì)量。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種在金屬氮化鎵復(fù)合襯底上外延無裂紋高晶體質(zhì)量LED外延層的方法，其LED外延結(jié)構(gòu)包含：金屬氮化鎵復(fù)合襯底(101)、低溫GaN緩沖層(102)、高溫非摻雜GaN緩沖層(103)、n型GaN層(104)、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)(105)、p型Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格電子阻擋層(106)、高溫p型GaN層(107)、p型InGaN接觸層(108)；其特征在于：在金屬氮化鎵復(fù)合襯底(101)上，設(shè)置一層在N₂(氮氣)氣氛下、以低生長速率，低溫生長的GaN應(yīng)力釋放層(102)；

該方法包括以下步驟：

步驟一，在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中將金屬氮化鎵復(fù)合襯底(101)，在氮氣(N₂)氣氛下，升溫至750-850℃，進(jìn)行退火處理，退火處理后在反應(yīng)室壓力300torr，在升溫退火后緩慢向反應(yīng)室通入NH3，在V/III摩爾比為500-1300條件下；采用0.2微米/小時-1微米/小時的低生長速率：，生長100～300納米厚的低溫GaN應(yīng)力釋放層(102)；

步驟二，在氫氣(H₂)氣氛下，在950-1100℃下，反應(yīng)室壓力為100-200torr，V/III摩爾比為1000-1300；采用生長速率從1微米/小時線性變化到3微米/小時的變速率生長方法，生長1-2微米厚的高溫非摻雜GaN緩沖層(103)；

步驟三，在氫氣(H₂)氣氛下，在950-1100℃下，反應(yīng)室壓力為100-200torr，V/III摩爾比為1000-1300；采用恒定生長速率生長1-2微米厚的n型GaN層(104)；其Si摻雜濃度為10¹⁸-10¹⁹cm^-3；

步驟四，在氮氣(N₂)氣氛下，在750-850℃下，V/III摩爾比為5000-10000，反應(yīng)室壓力300torr,接著生長5-10周期的In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)(105),其中In_xGa_1-xN阱層的厚度范圍在2-4nm；GaN壘層厚度為8-20nm；其中0<x≤0.3； 步驟五，在850-950℃下，在有源區(qū)上，在氮氣氣氛下，V/III摩爾比為5000-10000，反

應(yīng)室壓力100-300torr,生長5-10個周期的p型Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格結(jié)構(gòu)電子阻擋層(106)；其中，Al組分0≤y₁≤0.2該Al組分隨著超晶格周期數(shù)增加而階梯式減少、p型Al_y1Ga_1-y1N的厚度為2-5nm、GaN層厚度為2-5nm；其Mg摻雜濃度相應(yīng)的空穴濃度為2×10¹⁷cm^-3；

步驟六，在950-1050℃下,在氫氣氣氛下，V/III摩爾比為2000-5000，反應(yīng)室壓力100torr,生長100-300nm的高溫p型GaN層(107)；其Mg摻雜濃度為10¹⁷-10¹⁸cm^-3；；

步驟七，在650-750℃下,在氫氣氣氛下，V/III摩爾比為5000-10000，反應(yīng)室壓力300torr,生長2-4nm的p型InGaN接觸層(108)；其Mg摻雜濃度為大于10¹⁸cm^-3。

本發(fā)明的主要特征在于，在金屬氮化鎵復(fù)合襯底上，在其初始外延階段，對金屬襯底進(jìn)行退火處理，同時優(yōu)化金屬襯底生長初期的載氣、生長溫度以及生長速率等參數(shù)，采用N₂作為載氣、低生長速率、低溫生長GaN應(yīng)力釋放層，有效緩解GaN外延層和金屬襯底之間的熱失配，防止GaN分解，在金屬襯底上制備出高質(zhì)量的GaN基LED外延層。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中一種在金屬氮化鎵復(fù)合襯底上外延無裂紋高晶體質(zhì)量LED的豎直剖面視圖；

其中，101：金屬氮化鎵復(fù)合襯底；102：低溫GaN應(yīng)力釋放層；103：高溫非摻雜GaN緩沖層；104：n型GaN層；105：In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)；106：p型Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格電子阻擋層；107：高溫p型GaN層；108：p型InGaN接觸層。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種在金屬氮化鎵復(fù)合襯底上外延無裂紋高晶體質(zhì)量LED外延層的方法(根據(jù)其流程制作的LED外延層豎直剖面視圖參閱圖1)。通過優(yōu)化在金屬氮化鎵復(fù)合襯底生長初期的工藝參數(shù)，有效緩解金屬襯底和氮化鎵外延層之 間的熱失配，提高后續(xù)GaN外延層的晶體質(zhì)量。

實施例1

使用Aixtron公司,緊耦合垂直反應(yīng)室MOCVD生長系統(tǒng)。在LED外延片結(jié)構(gòu)生長過程中，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH₃)分別作為Ga、Al、In和N源，以硅烷(SiH₄)作為n型摻雜劑，二茂鎂(Cp₂Mg)作為p型摻雜劑；

首先在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中將金屬氮化鎵復(fù)合襯底(101)，在氮氣(N₂)氣氛下，升溫至750-850℃，進(jìn)行退火處理，退火處理后向反應(yīng)室中緩慢通入NH₃，將NH₃流量依次增加：1500sccm、3000sccm、6000sccm、8000sccm、10000sccm(sccm,standard cubic centimeter per minute,標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)，然后緩慢通入TMGa，在反應(yīng)室壓力300torr，V/III摩爾比為500-1300；采用低生長速率：0.2微米/小時-1微米/小時，生長100納米厚的低溫GaN應(yīng)力釋放層102；

然后將載氣切換為H₂，升高溫度，在氫氣(H₂)氣氛下，在950-1100℃下，反應(yīng)室壓力為100-200torr，V/III摩爾比為1000-1300；采用變速率生長的方法，生長速率從1微米/小時線性變化到3微米/小時，生長1-2微米厚的高溫非摻雜GaN緩沖層(103)；

在氫氣(H₂)氣氛下，在950-1100℃下，反應(yīng)室壓力為100-200torr，V/III摩爾比為1000-1300；采用恒定生長速率生長1-2微米厚的n型GaN層(104)；其Si摻雜濃度為10¹⁸-10¹⁹cm^-3；

將載氣從H₂切換成N₂，在氮氣(N₂)氣氛下，在750-850℃下，V/III摩爾比為5000-10000，反應(yīng)室壓力300torr,接著生長5-10周期的In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源區(qū)(105),其中In_xGa_1-xN阱層的厚度范圍在2-4nm、GaN壘層厚度為8nm-20nm、其中0<x≤0.3；

在850-950℃下，在有源區(qū)上，在氮氣氣氛下，V/III摩爾比為5000-10000，反應(yīng)室壓力100-300torr,生長5-10個周期的p型Al_y1Ga_1-y1N/GaN超晶格結(jié)構(gòu)電子阻擋層(106)；其中，Al組分0≤y₁≤0.2該Al組分隨著超晶格周期數(shù)增加而階梯式減少、GaN層厚度為2-5nm、p型Al_y1Ga_1-y1N的厚度為2-5nm；其Mg摻雜濃度相應(yīng)的空穴濃度為2×10¹⁷cm^-3；

在950-1050℃下,在氫氣氣氛下，V/III摩爾比為2000-5000，反應(yīng)室壓力100torr,生長100-300nm的高溫p型GaN層(107)；其Mg摻雜濃度為10¹⁷-10¹⁸cm^-3；；

在650-750℃下,在氫氣氣氛下，V/III摩爾比為5000-10000，反應(yīng)室壓力300torr,生長2-4nm的p型InGaN接觸層(108)；其Mg摻雜濃度為大于10¹⁸cm^-3。

外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至700-750℃，采用純氮氣氣氛進(jìn)行退火處理5-20分鐘,然后降至室溫，結(jié)束生長。，通過對金屬氮化鎵復(fù)合襯底LED表面形貌，晶體質(zhì)量以及光電參數(shù)的測試，發(fā)現(xiàn)采用本專利技術(shù)方案可制備出無裂紋高晶體質(zhì)量金屬氮化鎵復(fù)合襯底LED。

以上所述的實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點，其描述較為具體和詳細(xì)，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，因此不能僅以此來限定本發(fā)明的專利范圍，但并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，即凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的精神所作的變化，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。