蓝宝石衬底同温双缓冲层制备方法

专利名称：蓝宝石衬底同温双缓冲层制备方法
技术领域：
本发明涉及LED (发光二极管)芯片的制备方法，更具体地说，涉及一 种LED的蓝宝石衬底同温双缓冲层制备方法。
背景技术：
在半导体产业的发展过程中， 一般将Si、 Ge称为第一代半导体材料； GaAs、 InP、 GaP、 InAs、 AlAs及其三元、四元合金等称为第二代半导体材料； 而以GaN为代表的宽禁带半导体材料(带隙大于2.3eV)在最近几年得到了 迅猛的发展，因此被人们称为第三代半导体材料。第三代半导体材料主要包括 SiC、 ZnSe、金刚石、GaN以及GaN基化合物，其优良性能主要集中在禁带 宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性好等方面，因此在制作抗 辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件方面具有不可替代优势。另外， 由于其特有的禁带宽度，还被用来制作蓝绿光和紫外光的发光器件以及光探测 器。
虽然氮化镓有很多的优点，但由于在生长温度下氮的平衡蒸汽压极高，在 拉制GaN单晶材料时遇到了极大的困难，无法获得大面积的GaN单晶。因而 只能用异质外延的方法来解决。对衬底的要求，希望它们间的晶格失配、热失 配尽可能小、导热性好等。在A1203、 Si、 GaAs、 GaP、 SiC、 ZnO、 MgO、 MgAl204等衬底上进行了尝试。使用最多的是蓝宝石(八1203)，这主要是因为 A1203容易获得，而且人们已经能制备出质量很好的大尺寸的Al203体材料， 它具有六方对称性，易于处理和耐高温等特点。但是，GaN和Al203之间有 大约16%的晶格失配，为GaN材料在其表面生产带来很大的困难。
直到1989年，Akasaki和Amano采用了低温A1N的缓冲层，晶体的质 量得到了显著的提高。之后Amano等人改进了 A1N缓冲层，使室温下本底载流子浓度下降至2.5E17cm-3,迁移率达至U 430cm2/V.S 。在此基础之上 Nakamura使用GaN作为低温缓冲层同样取得了成功。它的本底浓度降至 4E16cm-3。室温迁移率提高到900cm2/V.S 室温XRD半峰宽达到1.6min。
利用生长缓冲层在^203上直接生长GaN是典型的三维生长机制，经历 孤立成岛、岛长大、三维生长和形成平整二维表面生的过程。缓冲层起到如下 三个作用(1)提供与Al203有相同取向的成核中心；(2)释放了GaN和Al203 之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配产生的热应力；(3)为进一步 的生长提供了平整的成核表面，减少成核生长的接触角，有利于向二维转变。 所以，要得到好的GaN晶体，优化缓冲层工艺是及其关键和必要的。现有的 外延工艺都是采用低温单缓冲层，其存在生长质量差的缺陷。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述单缓冲层的生长质量 差的缺陷，提供一种蓝宝石衬底的同温不同厚度的双缓冲层的制备方法
技术领域：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种蓝宝石衬底同温双
缓冲层制备方法，包括以下步骤
Al:对蓝宝石衬底放入反应腔内进行氢化处理，得到洁净的蓝宝石衬底； A2:往所述反应腔内输入反应气氛气体，营造反应气氛，并保持反应腔
内的温度和压力在设定范围内；
A3:在第一时间段内，往所述反应腔内输入含Ga束源，进行第一层缓冲
层的生长；
A4:完成第一层缓冲层生长后，旁路所述含Ga束源，并保持在设定时间 段内输入反应气氛气体；
A5:保持输入反应气氛气体，并在第二时间段内，再次输入含Ga束源到 所述反应腔内，进行第二层缓冲层的生长；
在上述步骤A2至A4中，所述反应腔内的温度和压力保持在同一范围内； 在所述步骤A3和A5中，所述第二时间段长于所述第一时间段。
在本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法的所述步骤A1中，将蓝宝石衬
5底放入到所述反应腔内，将所述反应腔加热到1100-1200°C，压力为 100-300Torr，并对所述蓝宝石表面进行高温氢化处理，去除表面的杂质和水 分。
在本发明的蓝宝石衬底同温双缓冲层制备方法的所述步骤A2中，首先将 经所述步骤Al处理的蓝宝石衬底温度降低到550-600°C，将所述反应腔的压 力升到450-550Torr;
然后，往所述反应腔内输入NH3，并将所述反应腔内的温度稳定于550-600 'C之间。
在本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法的所述步骤A3中，所述第一时 间段为10-50秒；输入的所述Ga束源为TMGa;生成的第一层缓冲层的厚度 为10-50埃。
在本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法的所述步骤A4中，旁路所述 TMGa，停止缓冲层的生长，并保持在100-500秒的时间段内输入NH3，并保 持所述反应腔内的温度保持在550-60(TC之间。
在本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法的所述步骤A5中，第二时间段 为100-500秒，生长出的第二缓冲层的厚度为100-500埃。
本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法还包括步骤A6:完成所述第二缓 冲层的生长后，将所述反应腔进行升温和降压，达到在所述蓝宝石衬底上生长 GaN的高温温度和压力。
实施本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，具有以下有益效果两次成 核的生长，在晶核之间产生的间隙有利于释放GaN和A1203晶格失配产生的 应力；第一次缓冲层成核为第二次的成核提供了凝聚中心，有利于GaN三维 生长较快向二维生长过渡，形成平整的表面，提高GaN的结晶质量；和单缓 冲层生长的GaN薄膜材料相比较，利用本发明不同厚度低温双缓冲层在蓝宝 石上生长的GaN本底浓度更低、室温迁移率更高、室温XRD半峰宽也更低、 得到的GaN材料中的位错密度也降低了一到二个数量级。


下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中 图1是本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法的生长压力的控制流程的 示意图2是本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法的生长TMGa束源的控制 流程的示意图3是本发明的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法的温度的控制流程的示意图。
具体实施例方式
如图1至图3所示，是本发明的蓝宝石衬底同温双缓冲层制备方法的一个 实施例，其利用有机金属化学气相沉积(MOCVD)法外延生长氮化镓(GaN) 过程中引入不同厚度低温双缓冲层工艺技术，在蓝宝石(A1203)衬底上生长 异质GaN晶体，提高GaN在蓝宝石上生长的晶体质量。该方法主要包括以下 步骤
将已备好的蓝宝石衬底在反应腔中打开真空包装，直接放到MOCVD设 备的石墨盘中，开始运行程序。首先，对蓝宝石衬底进行清洗预处理将反应 腔加热到大约1100-1200°C，压力为100-300Torr，本实施例中温度为1100°C， 压力为100Torr;并对蓝宝石表面进行高温氢化处理，去除表面的杂质和水分， 得到洁净的蓝宝石衬底，该处理时间约为IO分钟左右，如图1和图3中的t0-tl 时间段。然后将经氢化后的蓝宝石衬底温度降到约550-60(TC之间，本实施例 为55(TC;反应腔的压力升到450-550Torr之间，本实施例为500Torr，即缓 冲层的低温生长温度和压力范围内，并一直保持再次范围内，如图中的t2-t5 时间段内。
然后，往反应腔内输入反应气氛气体，营造反应气氛，并保持反应腔内的 温度和压力在设定范围内。在本实施例中，打开NH3的流量控制计(MFC)， 使反应腔首先有NH3通入，做好GaN晶体第一层缓冲层的生长氛围；同时，打 开TMGa (三甲基镓)的MFC，使其通过Vent管道(旁路管道)，处于预流状 态(即保持TMGa的预流，而不进入反应腔内)；并使反应腔内的温度稳定在大约55(TC。当然，也可以用其他的含Ga束源来代替TMGa，进行缓冲层的生长。
然后，打开TMGa的MFC，使其混入到反应腔内，通入时间为10-50秒， 如图2中的t2-t3时间段内，进行第一层缓冲层的结晶成核生长，生成的第一 缓冲层的厚度为10-50埃。
在完成第一层缓冲层的生长后，旁路TMGa束流(即保持稳定的TMGa 束流，但是不进入反应腔内)，停止缓冲层的生长。并在设定时间段内，如 100-500毫秒的时间段内(如图2中的t3-t4时间段内)输入NH3，并保持反应 腔内的温度保持在550-60(TC之间。
然后，进行第二缓冲层的生长再次输入TMGa束流，并保持NH3的输 入，持续约100-500秒(如图2中的t4-t5时间段内)，进行低温第二缓冲层的 结晶成核生长，生长厚度为100-500埃。
至此，完成双层缓冲层的生长。两次成核的生长，在晶核之间产生的间隙 有利于释放GaN和A1203晶格失配产生的应力；第一次缓冲层成核为第二次 的成核提供了凝聚中心，有利于GaN三维生长较快向二维生长过渡，形成平 整的表面，提高GaN的结晶质量；和单缓冲层生长的GaN薄膜材料相比较， 利用本发明不同厚度低温双缓冲层在蓝宝石上生长的GaN本底浓度更低、室 温迁移率更高、室温XRD半峰宽也更低、得到的GaN材料中的位错密度也降 低了一到二个数量级。
在完成双层缓冲层的生长后，将反应腔进行升温和降压，达到在蓝宝石衬 底上生长GaN的高温温度和压力，利用MOCVD法进行GaN镓的生长，而得 到完整的LED结构。
权利要求
1、一种蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，其特征在于，包括以下步骤A1对蓝宝石衬底放入反应腔内进行氢化处理，得到洁净的蓝宝石衬底；A2往所述反应腔内输入反应气氛气体，营造反应气氛，并保持反应腔内的温度和压力在设定范围内；A3在第一时间段内，往所述反应腔内输入含Ga束源，进行第一层缓冲层的生长；A4完成第一层缓冲层生长后，旁路所述含Ga束源，并保持在设定时间段内输入反应气氛气体；A5保持输入反应气氛气体，并在第二时间段内，再次输入含Ga束源到所述反应腔内，进行第二层缓冲层的生长；在上述步骤A2至A4中，所述反应腔内的温度和压力保持在同一范围内；在所述步骤A3和A5中，所述第二时间段长于所述第一时间段。
2、 根据权利要求1所述的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，其特征在于， 在所述步骤A1中，将蓝宝石衬底放入到所述反应腔内，将所述反应腔加热到 1100-1200°C，压力为100-300Torr，并对所述蓝宝石表面进行高温氢化处理， 去除表面的杂质和水分。
3、 根据权利要求1或2所述的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，其特征在 于，在所述步骤A2中，首先将经所述步骤A1处理的蓝宝石衬底温度降低到 550-600。C，将所述反应腔的压力升到450-550Torr;然后，往所述反应腔内输入NH3，并将所述反应腔内的温度稳定于550-600 "C之间。
4、 根据权利要求3述的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，其特征在于，在 所述步骤A3中，所述第一时间段为10-50秒；输入的所述Ga束源为TMGa; 生成的第一层缓冲层的厚度为10-50埃。
5、 根据权利要求4述的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，其特征在于，在 所述步骤A4中，旁路所述TMGa，停止缓冲层的生长，并保持在100-500秒的时间段内输入NH3，并保持所述反应腔内的温度保持在550-600"C之间。
6、 根据权利要求5所述的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，其特征在于， 在所述步骤A5中，第二时间段为100-500秒，生长出的第二缓冲层的厚度为 100-500埃。
7、 根据权利要求6所述的蓝宝石衬底双缓冲层制备方法，其特征在于， 该方法还包括步骤A6:完成所述第二缓冲层的生长后，将所述反应腔进行升 温和降压，达到在所述蓝宝石衬底上生长GaN的高温温度和压力。
全文摘要
本发明涉及一种蓝宝石衬底同温双缓冲层制备方法，包括以下步骤A1对蓝宝石衬底放入反应腔内进行氢化处理，得到洁净的蓝宝石衬底；A2往反应腔内输入反应气氛气体，营造反应气氛，并保持反应腔内的温度和压力在设定范围内；A3在第一时间段内，往反应腔内输入含Ga束源，进行第一层缓冲层的生长；A4完成第一层缓冲层生长后，旁路含Ga束源，并保持在设定时间段内输入反应气氛气体；A5保持输入反应气氛气体，并在第二时间段内，再次输入含Ga束源到反应腔内，进行第二层缓冲层的生长。两次成核的生长，在晶核之间产生的间隙有利于释放GaN和Al₂O₃晶格失配产生的应力；有利于GaN三维生长较快向二维生长过渡，形成平整的表面，提高GaN的结晶质量。
文档编号H01L33/00GK101471400SQ20071018612
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者王新建 申请人:深圳市方大国科光电技术有限公司