利用温度循环法提高GaN基LED器件工作寿命的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用温度循环法提高GaN基LED器件工作寿命的方法，包括以下步骤：A.在基底1上采用低温气相沉积技术生长GaN缓冲层2，其中所述低温是500℃；B.采用高温气相沉积技术在所述GaN缓冲层2上生长GaN半导体层3，其中所述高温是1050℃；C.对所述GaN半导体层3进行至少一次温度循环处理，其中每一次温度循环中将温度从1050℃降到500℃,再升温到1055℃，然后降温到1050℃；D.在经过温度循环处理后的GaN半导体层3上，继续生长后续的其它各层。经过本发明的方法得到的半导体器件，晶体的位错密度减少，LED器件的发光工作寿命延长。
【专利说明】利用温度循环法提高GaN基LED器件工作寿命的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于半导体器件加工领域。
【背景技术】
[0002]氮化物化合物半导体材料的能带结构属于直接间隙半导体，适宜用来制造光电器件。氮化物半导体材料的禁带宽度涵盖的面很宽，有宽达6.2eV到0.65eV，发光器件的波长可覆盖从200纳米到近2000纳米的范围。
[0003]氮化镓半导体材料是氮化物半导体材料中重要的材料，以氮化镓基化合物半导体材料制成的发光器件的波长范围由深紫外到红外光谱的范围。氮化镓基化合物半导体材料具有很好的电绝缘能力，其耐绝缘电场强度高达2X106V/cm。氮化镓基化合物半导体材料具有很好的耐高温性能，适合制造高温器件。氮化镓基化合物半导体材料中的载流子具有很高的饱和速度，高达2.7xl07cm/s,是制造高频器件的好材料。氮化镓基化合物半导体材料已用来制造以下产品:LED的发光器件，用于照明或指示灯；LED激光器，用于高密度的储存、高分辨率的投影仪、表面检测等；紫外探测器，作为火焰的探测，燃烧控制，飞机诱导等；光电转换器件，作为太阳能电池、光合成等；超高频器件，用于卫星通信、高速公路交通监测指挥系统；功率型器件，用于发动机控制、大功率逆变器等器件。
[0004]氮化镓基化合物半导体材料在制造时需在衬底上进行材料的生长。
[0005]在衬底上生长氮化镓基化合物半导体材料至少要考虑到材料的晶体结构、晶格常数的匹配、热膨胀系数的匹配等因素。
[0006]在衬底上生长氮化镓基半导体材料时，通常使用有机金属气相外延的方法。该法中利用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga的原材料，以氨气(NH3)高温分解作为N的原材料，通常以低温GaN或AlN等材料作为缓冲层，在1050°C -1150°C的高温下，在缓冲层上生长氮化镓基半导体材料薄膜。
[0007]再根据制作器件的要求，生长适合器件性能的各种半导体层结构。如GaN基发光二极管，将在其上生长n-GaN、GaN/InGaN/GaN量子阱结构、电子阻挡层和p_GaN层，构成LED结构的外延层。
[0008]影响含氮化镓基LED器件的工作寿命的因素有许多种，例如氮化镓基半导体材料的质量，如晶格排列的完整性、位错的多少等都直接影响器件的性能。其中，在GaN半导体层的沉积过程中，如果发生晶体位错，则会严重降低发光器件的发光效率，并致使发光器件的发光容易衰减，器件工作寿命变短。特别是线性位错，若气相沉积过程的条件控制得不好，则会产生线性位错，该线性位错会沿半导体层的生长方向而延伸，甚至达到器件的有源层，严重地影响器件的性能。
[0009]实践中，人们通常希望通过精确控制高温气相沉积反应的反应条件，来减少线性位错的发生概率。但对反应条件的控制存在一个极限，过于精确时，对原料进料流量控制系统、温度和压力控制系统的精度和可靠性要求较高，这导致成本上升。因此，仍希望有简单可行的方法来减少GaN半导体层的位错密度，以改善GaN半导体层的晶体质量，进而提高氮化镓基发光二极管的整体寿命。
[0010]本发明则提供了这样的简单可行的减少GaN半导体层的位错密度进而提高氮化镓基发光二极管的整体寿命的方法。
[0011]发明概述
[0012]本发明的第一方面涉及利用温度循环法提高GaN基LED器件工作寿命的方法，包括以下步骤:
[0013]A.在基底(I)上采用低温气相沉积技术生长GaN缓冲层(2)，其中所述低温是500 0C ；
[0014]B.采用高温气相沉积技术在所述GaN缓冲层(2)上生长GaN半导体层(3)，其中所述高温是1050°C ；
[0015]C.对所述GaN半导体层(3)进行至少一次温度循环处理，其中每一次温度循环中将温度从1050°C降到500°C，再升温到1055°C，然后降温到1050°C ；
[0016]D.在经过温度循环处理后的GaN半导体层(3)上，继续生长后续的其它各层。
[0017]附图简述
[0018]图1是本发明的方法的加工对象蓝宝石基底的LED器件的结构示意图。
[0019]图2是本发明的方法的工艺步骤示意图，其中示例性地示出了温度循环的步骤。
[0020]附图标记列表:
[0021]图1 中:
[0022]1.基底；2.GaN 缓冲层；3.GaN 丰导体层；4.n—GaN 层；5.jil子讲层；6.AlGaN 层；7.P-GaN 层；
[0023]图2 中:
[0024]oa段:升温-热清洁-降温段；ab段:低温气相沉积段，沉积GaN缓冲层；bc段:升温段；cd段:高温气相沉积段，沉积GaN半导体层；de段:第一次温度循环处理；ef段:第二次温度循环处理；fg段:第三次温度循环处理；g点以后:沉积后续其它各层。
[0025]发明详述
[0026]为了便于理解本发明，现对本发明详细介绍如下。
[0027]“基底”，又名“衬底”或“基材”，是指一块板状、片状或膜状材料，半导体器件通过气相沉积法该衬底上进行外延生长。本发明中的基材，取决于其材质，可以为蓝宝石基材、SiC基材或单晶娃基材。
[0028]在本发明的方法的步骤A之前，优选地在还原性气氛下在1120°C的温度下对基底进行清洁处理，该清洁处理可被称为步骤E。然后将温度降低到500°C左右，开始进行本发明的步骤A，该降温过程中对降温速率没有特殊要求，只要能确保基底不因降温而受到有害影响即可。该清洁处理的过程如图2中所示。
[0029]在本发明的步骤A中，在基底(I)上采用低温气相沉积技术生长GaN缓冲层(2)，其中所述低温是500°C ;其中该低温气相沉积过程中，以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，以NH3作为氮源，在上述低温下分解后原位化合成GaN并沉积在基底上。该GaN缓冲层的厚度可以通过气相沉积的条件进行控制，一般为25nm左右。然后将温度提闻到105CTC左右的闻温，进行以下步骤B。
[0030]在本发明的步骤B中，采用高温气相沉积技术在所述GaN缓冲层(2)上生长GaN半导体层(3)，其中所述高温是1050°C ;其中该高温气相沉积过程中，以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，以NH3作为氮源，在上述高温下分解后原位化合成GaN并沉积在所述GaN缓冲层上。该GaN半导体层的厚度可以通过气相沉积的条件进行控制，一般为2000nm左右。该高温气相沉积过程中，选择合适的Ga/N摩尔比，并控制气相沉积反应条件，来获得具有期望的组成性质的GaN半导体层3。可将该GaN半导体层3的生长速度控制在2000_3000nm/h。通常，为了控制通过气相沉积法得到的GaN半导体层的晶体质量，不希望生长速度过快，一般控制在2000nm/h以下。但本发明因为独特的温度循环处理可以消除晶体内部的缺陷，故可以不受此生长速度的限制。然后，进行以下步骤C。
[0031]步骤C是本发明的关键点。在该步骤C中，对所述GaN半导体层(3)进行至少一次温度循环处理，其中每一次温度循环中将温度从1050°C降到500°C，再升温到1055°C，然后降温到1050°C。这样的温度循环优选进行3次以上。其中，对升温速率和降温速率没有特殊的要求，只要能确保基底、GaN缓冲层和GaN半导体层均不应不因升温降温产生的热应力而受到有害影响即可。升温速率和降温速率可以是线性的或非线性的，但优选线性的。在优选的实施方案中，降温速率不低于10°C /分钟，升温速率为10°C /秒?20°C /分钟。在另一优选实施方案中，在每一次温度循环中，还可将所述GaN半导体层(3)在1050°C下保持不大于10分钟的时间，或者，将所述GaN半导体层(3)在500°C下保持不大于10分钟的时间，或二者结合。这种保持时间也可以被称作“平台期”，平台期的长短是可以根据具体工艺条件而调整的。发明人发现，对GaN半导体层经过至少一次这样的温度循环处理后，GaN半导体层的结晶质量得到了明显提高，这体现在半导体器件的寿命的显著延长上，如后文实施例所示。
[0032]然后，进行本发明的步骤D。该步骤D中，在经过温度循环处理后的GaN半导体层
(3)上，继续生长后续的其它各层。后续的其它各层的材料选择和沉积厚度可以根据具体情况而定。在一个优选实施方案中，所述其它各层依次包括n-GaN层、GaN/GalnN/GaN多量子阱层、电子阻挡层AlGaN层、P-GaN材料层。在更优选的实施方案中，还可以继续包括透明电极层或保护层等。
[0033]本发明不仅适用于GaN基半导体材料，而且适用于其它周期表II1-V族元素的氮化物半导体材料。
实施例
[0034]以下实施例仅仅是对本发明的举例说明，不以任何方式限制本发明。
[0035]实施例1
[0036]结合附图1和附图2，以GaN基篮光发光器件为例加以说明。
[0037]该实施例中用蓝宝石为基底1，可以采用未经图形加工的平面的镜面蓝宝石基底；也可选用经图形加工过的PSS蓝宝石基底；基底的面方位可以是极性C面基底；也可以选择非极性m面基底或半极性面的基底。
[0038]各外延层的生长均米用有机金属气相沉积方法(MOCVD)生长。
[0039]具体过程如下:
[0040]步骤E-清洁处理:将经过清洗过的蓝宝石基底放入MOCVD炉中，在还原性气氛中升温到1120°C对基底表面进一步清洁处理。然后将温度降低到500°C。[0041]步骤A-低温沉积GaN缓冲层:在500°C下，以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，以NH3作为氮源，用低温气相沉积技术沉积约25nm厚的低温GaN缓冲层2。沉积完成后，以适当的升温速度将温度上升到高温沉积GaN半导体层所需要的高温下，例如1050°C下。
[0042]步骤B-高温沉积GaN半导体层:在1050°C，利用三甲基镓作为镓源，以NH3高温分解作为N氮源，选择适当的Ga/N摩尔比，并控制原料通入速率和气相沉积反应条件，在GaN缓冲层2上沉积2000nm厚的GaN半导体层3，沉积过程中将生长速度控制在3000nm/h。
[0043]步骤C-温度循环处理:以10°C /分钟的降温速率，将气相沉积反应器中的温度从1050°C降低至500°C，在500°C下没有平台期，立刻以10°C /秒的升温速率逐渐升温至1055°C，然后再以10°C /分钟的降温速率降到1050°C，形成一个温度循环。连续进行3个这样的温度循环。
[0044]步骤D-沉积其它各层:继续向气相沉积反应器中通入三甲基镓和NH3，同时导入硅烷，继续进行气相沉积反应，在所述GaN半导体层3上继续生长掺杂硅的GaN层，即n_GaN层4，该n-GaN层4的厚度约3000nm。然后，生长一层硅掺杂浓度较小的GaN层，作为电流均匀扩散层。然后，在电流均匀扩散层的上面依次沉积生长GaN/GalnN/GaN层，作为多量子阱结构层5，其中InGaN层中In的组分决定了发光的波长，可根据要求的波长在生长InGaN层时，调节生长温度和作为铟源的三甲基铟的供应量等。然后，生长一层电子阻挡层6，该电子阻挡层通常由禁带宽度比较大的AlGaN材料组成，厚度为数十纳米。最后，生长p-GaN材料层7，该pGaN材料的P型掺杂材料为Cp2Mg，经过活化后提供空穴载流子。
[0045]上述步骤完成后，得到外延片，该外延片可经过后续处理，制成发光器件的芯片，封装应用。
[0046]对比例I
[0047]该对比例中用蓝宝石为基底1，可以采用未经图形加工的平面的镜面蓝宝石基底；也可选用经图形加工过的PSS蓝宝石基底；基底的面方位可以是极性C面基底；也可以选择非极性m面基底或半极性面的基底。
[0048]各外延层的生长均米用有机金属气相沉积方法(MOCVD)生长。
[0049]具体过程如下:
[0050]步骤E-清洁处理:将经过清洗过的蓝宝石基底放入MOCVD炉中，在还原性气氛中升温到1120°C对基底表面进一步清洁处理。然后将温度降低到500°C。
[0051]步骤A-低温沉积GaN缓冲层:在500°C下，以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，以NH3作为氮源，用低温气相沉积技术沉积约25nm厚的低温GaN缓冲层2。沉积完成后，以适当的升温速度将温度上升到高温沉积GaN半导体层所需要的高温下，例如1050°C下。
[0052]步骤B-高温沉积GaN半导体层:在1050°C，利用三甲基镓作为镓源，以NH3高温分解作为N氮源，选择适当的Ga/N摩尔比，并控制原料通入速率和气相沉积反应条件，在GaN缓冲层2上沉积2000nm厚的GaN半导体层3，沉积过程中将生长速度控制在3000nm/h。
[0053]步骤C-温度循环处理:无。
[0054]步骤D-沉积其它各层:继续向气相沉积反应器中通入三甲基镓和NH3，同时导入硅烷，继续进行气相沉积反应，在所述GaN半导体层3上继续生长掺杂硅的GaN层，即n_GaN层4，该n-GaN层4的厚度约3000nm。然后，生长一层硅掺杂浓度较小的GaN层，作为电流均匀扩散层。然后，在电流均匀扩散层的上面依次沉积生长GaN/GalnN/GaN层，作为多量子阱结构层5，其中InGaN层中In的组分决定了发光的波长，可根据要求的波长在生长InGaN层时，调节生长温度和作为铟源的三甲基铟的供应量等。然后，生长一层电子阻挡层6，该电子阻挡层通常由禁带宽度比较大的AlGaN材料组成，厚度为数十纳米。最后，生长P-GaN材料层7，该pGaN材料的P型掺杂材料为Cp2Mg，经过活化后提供空穴载流子。
[0055]上述步骤完成后，得到外延片，该外延片用与实施例1相同的工艺经过后续处理，制成发光器件的芯片，封装应用。
[0056]性能测试
[0057]分别取实施例1和对比例I所得到的发光器件各20件，测量它们在相同电流条件下的平均工作寿命数据。LED发光器件的工作寿命的定义如下:在恒定的工作电流下连续点亮该发光器件，直至该发光器件的发光强度低于其初始最大发光强度的80%时(或曰光衰大于20%时)，将此期间经历的小时数定义为其工作寿命。测试在30毫安工作电流下进行，实施例1的发光器件的平均寿命为13750小时,而对比例I的发光器件为11290小时，寿命延长了约22%，这说明本发明的方法显著提高了发光器件的平均工作寿命，间接地说明本发明的温度循环法大大减少了 GaN半导体层的位错密度。
【权利要求】
1.一种利用温度循环法提高GaN基LED器件工作寿命的方法，包括以下步骤: A.在基底(I)上采用低温气相沉积技术生长GaN缓冲层(2)，其中所述低温是500°C； B.采用高温气相沉积技术在所述GaN缓冲层⑵上生长GaN半导体层(3)，其中所述高温是1050°C ； C.对所述GaN半导体层(3)进行至少一次温度循环处理，其中每一次温度循环中将温度从1050°C降到500°C，再升温到1055°C，然后降温到1050°C ； D.在经过温度循环处理后的GaN半导体层(3)上，继续生长后续的其它各层。
2.根据权利要求1的方法，其中所述温度循环中，降温速率不低于10°C/分钟，升温速率为10°C /秒?20°C /分钟。
3.根据权利要求1的方法，其中在每一次温度循环中，将所述GaN半导体层(3)在1050°C下保持不大于10分钟的时间，或者，将所述GaN半导体层(3)在500°C下保持不大于10分钟的时间，或二者结合。
4.根据权利要求1的方法，其中所述基底为蓝宝石基底或单晶硅基底。
5.根据权利要求1的方法，其中所述其它各层依次包括n-GaN层、GaN/GalnN/GaN多量子阱层、电子阻挡层AlGaN层、p-GaN材料层。
6.根据权利要求1的方法，其中所述温度循环进行3次以上。
7.根据权利要求1的方法，其中所述高温气相沉积法中，以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，以NH3作为氮源，经过高温分解和高温反应，生成所述GaN半导体层(3)。
8.根据权利要求1的方法，其中在所述步骤A之前还包括在还原性气氛下在1120°C的温度下对基底进行清洁处理的步骤E。
【文档编号】H01L33/00GK103972336SQ201410227596
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】邵春林, 汪英杰 申请人:华延芯光（北京）科技有限公司