一种MOCVD外延粗化P型GaN表面方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上制备P型GaN材料，尤其涉及一种P型GaN表面粗化方法，属于半导体材料制备领域。
【背景技术】
[0002]GaN基二极管(LEDs)已商业化，LEDs亮度主要取决于有源区内量子效率和光提取效率，LEDs的内量子效率已经可以达到80%以上，但是由于低的光提取效率，许多产生于有源区的光子并没有逸出LED，使得外量子效率较低，因此提高光提取效率是提高LEDs外量子效率的有效途径。LED的外量子效率很大程度受光提取效率影响，原因是GaN的折射率比较高，GaN的折射率(neaN)和空气(naJ的折射率分别为2.5和1，根据折射定律得到临界角约为23°，这个临界角使有源区发射的光有很大一部分不能直接发射到空气中，而是要经历多次内反射并最终被LED自身吸收，不但降低发光效率也增加了 LED的散热问题。在表面粗糙的LED器件中，光子由于散射而增加了逸出的机会，从而提高了光提取效率。因此一种方法就是表面粗化，表面粗化是指将满足全反射定律的光线改变传播方向并使之在另一表面或者反射回原表面时不会被全反射而透过界面，从而起到防反射的功能。表面粗化最早由日亚化学提出，原理是将器件内部和外部的几何形状进行粗化，从而破坏光线在器件内全反射，提高其出光效率。提高光提取效率的方法主要有光子晶体、ΙΤ0、倒装结构以及特殊形状芯片等，这些多数是在外延结束后通过后工艺方法(如湿法腐蚀和干法刻蚀GaN表面)来获得粗糙的表面，增加了如光刻等复杂工艺和生产成本，那么要寻找一种MOCVD在线生长方法，即通过外延生长改变上面P型层形貌获得粗糙的表面以提高光的提取效率。由于晶格失配和热失配GaN异质外延材料位错密度高，以往的研宄采用各种AlN缓冲层、AlN/GaN超晶格等技术，也有采用SiN单层插入层或多层插入层，SiN插入层技术是通过使用硅烷处理，实现对再生长的GaN生长从3维生长模式转换到2维生长模式，降低GaN位错密度，提高了材料的晶体质量。本发明利用了其中在非故意掺杂GaN生长特点，将其转移至Mg掺杂的P型GaN外延上实现表面粗化。
【发明内容】
[0003]本发明之目的在于提供一种P型GaN表面粗化的方法，该方法不需要外延后的刻蚀步骤，直接在外延过程中实现P型材料表面形貌的粗化。
[0004]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:一种P型GaN外延粗化表面的方法，包括以下步骤:
[0005]一种MOCVD外延粗化P型GaN表面方法，其特征在于包括以下步骤:
[0006]在非故意掺杂GaN层上生长P型GaN层I，P型GaN层厚度为200_250nm ；
[0007]接着停止通入Ga源，切换通入Si源硅烷，SiH4流量为12sccm-24sccm，反应室温度950-980°C，持续时间为1.5-2.5分钟，硅烷和氨气摩尔比1.86χ10_4_3.75χ1(Γ3;
[0008]停止通入Si源，切换再通入Ga和Mg源，生长P型GaN层II，厚度为100_150nm ；
[0009]整个过程中都有氢气和N源氨气。
[0010]更为具体的:
[0011]步骤一、在蓝宝石衬底上生长非故意掺杂的GaN层。
[0012]步骤二、在非故意掺杂的GaN层上生长P型GaN层I。
[0013]步骤三、在所述生长完P型GaN层I后，继续通入NH3,停止通入Ga源、Mg源，切换开始通入SiH4。
[0014]步骤四、在所述步骤二后继续通入NH3,停止通入SiH4,切换通入Ga源、Mg源生长P型GaN层II。
[0015]上述生长过程中载气为H2,源材料是分别以TMGa，NH3, SiH4, CP2Mg作为Ga源、N源、Si源、Mg掺杂源。
[0016]上述步骤一和步骤三中P型GaN的生长，P型GaN层I厚度为200_250nm，P型GaN层II厚度为100-150nmo
[0017]在进行上述步骤二时，SiH4流量为12sccm_24sccm，保持娃烧和氨气摩尔比
1.86χ1(Γ4-3.75χ1(Γ3，持续时间为 1.5-2.5 分钟，反应室温度为 950°C -980°C ο
[0018]所述的P型GaN外延粗化表面方法，其机理和特点在于:
[0019]在P型GaN层上沉积Si N纳米层，会使得GaN表面部分地被Si N原子层覆盖，由于Ga原子在GaN表面上的粘附系数高于在SiN表面上，因而随后生长的GaN将优先沉积于未被覆盖的GaN上，控制再生长的GaN层的合并。纳米级Si N原子薄层方法的成功取决于沉积条件，其中粗化时间、温度和气体流量是关键参数。如果沉积不足，不能形成纳米级孔洞；如果沉积超出临界值，纳米级孔洞和邻近的孔洞合并而消失，后面的外延薄膜获得不到好的粗化效果。在沉积温度方面，Ga-N键能(103kJ moF1)比S1-N键能(439kJ moF1)低，如果沉积温度过高，N原子首先从GaN表面脱离，而其中的Ga原子迀移去和NH3中的N原子再结合，影响了对SiN纳米层形成的控制。另外孔洞的大小和密度也还要受气体的流量影响。因此合理控制纳米级Si N原子薄层的沉积条件、气体流量以及再生长的P型GaN层的厚度，能够得到需要的粗糙表面。
[0020]本发明的优点在于:本发明通过外延手段对P型GaN表面进行粗化，避免了外延结束后繁杂的刻蚀工艺，既节约了时间又降低了生产成本，并且能够通过控制硅烷通入时间和流量以及再生长的GaN的厚度来获得不同粗糙度的表面。同时SiN纳米层在GaN外延片中起到了横向外延的作用。GaN横向外延过程中能够阻断位错和使位错转向。最初的SiN纳米粒优先沉积在位错中心，随着SiN纳米层的覆盖，该层下方的GaN层模板中的穿透位错将被终止，穿透位错不能继续向上层GaN中扩展，从而降低再生长的P型GaN层位错密度，提高材料质量，对于器件不利于产生漏电流。
[0021]本发明提出的外延粗化P型GaN方法，本方法是MOCVD生长在线条件下采用控制生长时间和源流量，获得表面粗化的P-GaN材料，这避免了后复杂工艺，节约了时间，降低了生产成本。而且该方法的实现也达到减小位错密度之目的，提高P型GaN晶体质量，本案提出将能对GaN基LED器件光提取效率的提高15%左右。
【附图说明】
[0022]图1为实施例1通过本发明的方法粗化的GaN表面的SEM图。
[0023]图2为实施例1通过本发明的方法粗化的GaN表面的光学轮廓仪表面形貌。
[0024]图3为实施例2通过本发明的方法粗化的GaN表面的SEM图。
[0025]图4为实施例2通过本发明的方法粗化的GaN表面的光学轮廓仪表面形貌。
[0026]图5为实施例1通过本发明的方法粗化的GaN的XRD的测试结果。
[0027]图6为实施例2通过本发明的方法粗化的GaN的XRD的测试结果。
【具体实施方式】
[0028]具体实施例一
[0029]本发明提供的MOCVD设备生长在线粗化P型GaN材料的方法，其具
[0030]体外延过程如下:在非故意掺杂的GaN层生长P型GaN生长层I，纳米层
[0031]Si N，P型GaN生长层II。整个外延生长过程中H2为载气，源材料为:TMGa
[0032]和NH3、SiH4和CP 2Mg分别作为Ga源、N源、Si源和Mg源。
[0033](I)在蓝宝石衬底上生长非故意掺杂的GaN层。
[0034](2)在非故意掺杂的GaN层上P型GaN层I，厚度为200nm，生长时通入TMGa和NH3和 CP2Mg0
[0035](3)继续通入NH3,停止通入TMGa和CP2Mg,切换通入SiH4,反应室温度为980°C，生长时间为2分钟，SiH4流量为12sccm，硅烷和氨气摩尔比1.86x10 _4。
[0036](4)停止通入SiH4,切换通入Ga源、Mg源生长P型GaN层II，厚度为lOOnm。
[0037]具体实施例二
[0038](I)和⑵与实施例一中相同，(3)中沉积纳米层SiN时，反应室温度为970°C，持续时间为2分钟，SiH4流量为24sccm，硅烷和氨气摩尔比3.75x10 _3(4)中P型GaN层II的厚度为150nmo
[0039]显示用此方法生长是P型GaN材料实施例粗化效果。图2、图3、图4、图5和图6分别为本发明制备的P型GaN的粗化后的表面形貌和XRD测试FWHM测试结果。
[0040]以上为MOCVD外延生长在线粗化P-GaN的方法，为对发明目的、技术方案的进一步说明，以上所述仅限于具体实施实例，并不用于限制本发明的范围。凡在本发明的精神和原则范围以内，均应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种MOCVD外延粗化P型GaN表面方法，其特征在于包括以下步骤: 在非故意掺杂GaN层上生长P型GaN层I，P型GaN层厚度为200_250nm ； 接着停止通入Ga源，切换通入Si源硅烷，SiH4流量为12sccm-24sccm，反应室温度950-980°C，持续时间为1.5-2.5分钟，硅烷和氨气摩尔比1.86χ1(Γ4_3.75xl(T3; 停止通入Si源，切换再通入Ga和Mg源，生长P型GaN层II，厚度为100_150nm ； 整个过程中都有氢气和N源氨气。
【专利摘要】本发明提供一种MOCVD外延粗化P型GaN表面方法。其包括以下步骤：在蓝宝石衬底上生长非故意掺杂GaN层，然后再生长厚的P型GaN层I，厚度为200-250nm；接着停止通入Ga源，通入硅烷，SiH4流量为12sccm-24sccm，硅烷和氨气摩尔比1.86x10-4-3.75x10-3,反应室温度为950℃-980℃，持续时间为1.5-2.5分钟。最后再生长P型GaN层II，厚度为100-150nm。本发明沉积纳米层SiN粗化P型GaN表面，其成功取决于纳米层SiN的沉积条件，控制再生长的P型GaN层合并，获得粗化的表面。本发明通过MOCVD在线外延手段对GaN表面进行粗化，避免了LED器件制备为提高光的提取效率在外延结束后采取复杂的刻蚀工艺，既节约了时间又降低了生产成本。
【IPC分类】C30B29/40, C30B25/02
【公开号】CN104911699
【申请号】CN201510219214
【发明人】邢艳辉, 王凯, 韩军, 赵康康
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年5月3日