专利名称：一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化镓(GaN)基的III-V族氮化物材料的异质外延生长方法，特别涉及一种在图形衬底(Patterned Substrate)上生长高质量的氮化物薄膜外延层的方法。
背景技术：
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用，从而成为目前光电子学领域的研究热点，尤其是利用大功率发光二极管可实现半导体固态照明，实现人类照明史上的新的革命。 研究表明实现这一历史革命突破的科学技术瓶颈是提高发光二极管的发光效率。而提高发光二极管的发光效率的方法主要集中于对发光二极管内、外量子效率的提高。
目前，使用最广泛的外延GaN材料的衬底是成本较低的蓝宝石衬底，但是，由于GaN薄膜主要异质外延生长在蓝宝石等衬底上，蓝宝石衬底和GaN材料存在巨大的晶格失配(16% )和热膨胀系数失配(34% )，所以异质外延的GaN材料内部具有很高的位错密度(109-10"cm—2)，这样会引起载流子泄露和非辐射复合中心增多等不良影B向，从而降低了内
量子效率； 另一方面，由于GaN材料折射率(2. 4)高于蓝宝石衬底(1. 7)以及外部封装树脂(1. 5)，使得有源区产生的光子在GaN上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。 图形衬底技术通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，然后再在这种图形化的衬底表面进行LED材料外延。图形化的界面改变了 GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面延伸，提高器件内量子效率；同时，粗糙化的GaN/蓝宝石界面能散射从有源区发射的光子，使原本全反射的光子有机会出射到器件外部，能有效提高光提取率。
目前已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法，主要包括改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗，如采用倒金字塔结构；控制和改变自发辐射，通常采用谐振腔或光子晶体等结构；采用表面粗糙方法，使光在粗糙的半导体和空气界面发生漫射，增加其出光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，利用在图形衬底上的低温层处理技术解决台面上侧向外延生长的问题，进一步改善整个外延层的晶体质量，从而有效的提高外延层内量子效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 —种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，该方法包括以下步骤 步骤一，采用干法腐蚀或湿法腐蚀的方法在衬底的台面上制作图形，形成图形衬
底；
步骤二 ，采用M0CVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2做载气，三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa、三甲基铟TMIn和三甲基铝TMA1分别作为Ga源、In源和Al源，在MOCVD反应室中把图形衬底加热到IIO(TC _12001:，用H2或K或者H2和N2的混合气体作为载气，高温烘烤200-1000秒； 步骤三，把图形衬底温度降至500-650°C ，通入三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa和NH3生长氮化镓侧向外延诱导层； 步骤四，分解较小的氮化镓侧向外延诱导层； 氮化镓侧向外延诱导层生长完毕之后，停止向反应室中通入三甲基镓TMGa，继续向反应室中通入朋3及载气，同时把生长温度升高到IIO(TC -1200°C，当升到IIO(TC -120(TC后，恒温50-300秒; 步骤五，重复步骤三至步骤四n次，其中n为整数，n^l; 步骤六，继续向反应室中通入朋3及载气，将衬底温度保持在IOO(TC -IIO(TC，同时向反应室中通入三甲基镓TMGa，在该高温下完成最终的氮化镓大岛间的侧向外延生长过程，并生长高质量的GaN外延层； 步骤七，在此GaN外延层的基础上继续外延生长GaN基发光二极管的结构。
根据本发明控制台面上的侧向外延生长，图形衬底上的漏电、抗静电ESD等电性参数性能提高，最终相对在图形衬底上一般正常结构生长的外延层结构，亮度可提高15 25X，ESD可以从HM1000V提高到HM8000V以上。
图1为侧向外延诱导层的生长结构示意 图2是所示用包型蓝宝石图形衬底的SEM图。
具体实施方式
实施例1 —种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，该方法包括以下步骤
步骤一，在蓝宝石衬底上制作图形，由光刻工艺转移至Si(^掩模，然后采用干法腐蚀或高温H3P(VH2S04湿法腐蚀形成凸包状图形衬底；该凸包状图形呈三角状周期性排列的微结构。该图形的周期为0. 05-15 iim，该凸包的最大高度为0. 05-15 ii m ;所述的图形衬底的周期为0. 05-15 ii m，占空比0. 5-4，腐蚀深度0. 05-15 y m。 步骤二 ，采用MOCVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2做载气，三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa、三甲基铟TMIn和三甲基铝TMA1分别作为Ga源、In源和Al源，在MOCVD反应室中把图形衬底加热到IIO(TC _12001:，用H2或K或者H2和N2的混合气体作为载气，高温烘烤200-1000秒； 步骤三，把图形衬底温度降至500-65(TC，通入三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa和NH3生长氮化镓侧向外延诱导层；该氮化镓侧向外延诱导层为大小不一的岛状结构。
步骤四，氮化镓侧向外延诱导层生长完毕之后，停止向反应室中通入三甲基镓TMGa，继续向反应室中通入NH3及载气，同时把生长温度升高到IOO(TC -IIO(TC，当升到IOO(TC -IIO(TC后，恒温50-300秒；使得较小的岛 GaN分解，达到保留成核较大的岛状GaN的目的； 步骤五，重复步骤三至步骤四2-5次，直到形成的都是比较大的岛状GaN;
步骤六，继续向反应室中通入朋3及载气，将衬底温度保持在IOO(TC -IIO(TC，同时向反应室中通入三甲基镓TMGa，再该高温下完成最终的氮化镓大岛间的侧向外延生长过程，并生长高质量的GaN外延层； 步骤七，在此GaN外延层的基础上继续外延生长GaN基发光二极管的结构。
根据本发明，可以1)控制台面上的侧向外延生长，2)图形衬底上的漏电、抗静电ESD等电性参数性能提高，3)外延层中应力控制，最终相对在图形衬底上一般正常结构生长的外延层结构，亮度可提高15 25%， ESD可以从HM1000V提高到HM8000V以上。
实施例2 —种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，该方法包括以下步骤
步骤一，在硅Si衬底上制作图形，由光刻工艺转移至Si02掩模，但后采用干法腐蚀或高温H3P04:H2S04湿法腐蚀形成圆柱状或棱柱状图形衬底；该圆柱状或棱柱状图形呈三角状或矩形状周期性排列的微结构。该图形的周期为O. 05-15 ym，该圆柱状或棱柱状图形衬底的高度为0. 05-15 ii m ;所述的图形衬底的周期为3-10 iim，占空比0. 5_4，腐蚀深度0. 05-15践； 步骤二 ，采用MOCVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2做载气，三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa、三甲基铟TMIn和三甲基铝TMA1分别作为Ga源、In源和Al源，在M0CVD反应室中把图形衬底加热到IIO(TC -1200°〇，优选105(TC，用H2或N2或者H2和N2的混合气体作为载气，高温烘烤200-1000秒，优选烘烤600秒； 步骤三，把图形衬底温度降至500-65(TC，通入三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa和NH3生长氮化镓侧向外延诱导层；该氮化镓侧向外延诱导层为大小不一的岛状。
步骤四，氮化镓侧向外延诱导层生长完毕之后，停止向反应室中通入三甲基镓TMGa，继续向反应室中通入NH3及载气，同时把生长温度升高到IOO(TC -IIO(TC，当升到IOO(TC -IIO(TC后，恒温50-300秒；使得较小的岛状GaN分解，达到保留成核较大的岛状GaN的目的； 步骤五，重复步骤三至步骤四2-5次，直到形成的都是比较大的岛状GaN;
步骤六，继续向反应室中通入朋3及载气，将衬底温度保持在IOO(TC -IIO(TC，同时向反应室中通入三甲基镓TMGa，再该高温下完成最终的氮化镓大岛间的侧向外延生长过程，并生长高质量的GaN外延层； 步骤七，在此GaN外延层的基础上继续外延生长GaN基发光二极管的结构。
所述图形衬底的图形可以为为矩形排列的柱状或三角排列的凸包状周期性微结构；该矩形排列的柱状或三角排列的凸包状周期性微结构的最大高度为0. 05-15 ym。
所述氮化镓侧向外延诱导层厚度为5nm-300nm。 所述的图形衬底的周期为0. 05-15 ii m，占空比0. 5-4，腐蚀深度0. 05-15 y m。
根据本发明，可以1)控制台面上的侧向外延生长，2)图形衬底上的漏电、抗静电ESD的等电性参数性能提高，3)外延层中应力控制，最终相对在图形衬底上一般正常结构生长的外延层结构，亮度可提高15 25%， ESD可以从HM1000V提高到HM8000V以上。
实施例3
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—种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤一，在碳化硅SiC衬底上制作图形，由光刻工艺转移至Si02掩模，但后采用干法腐蚀或高温H3P04:H2S04湿法腐蚀形成圆柱状或棱柱状或凸包状图形衬底；该圆柱状或棱柱状图形呈三角状或矩形状周期性排列的微结构。该图形的周期为O. 05-15 ym，该圆柱状或棱柱状图形衬底的高度为1-5 P m ;所述的图形衬底的周期为3-10 m，占空比0. 5_4，腐蚀深度0. 05-15 ii m ; 步骤二 ，采用MOCVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2做载气，三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa、三甲基铟TMIn和三甲基铝TMA1分别作为Ga源、In源和Al源，在MOCVD反应室中把图形衬底加热到IIO(TC _12001:，用H2或K或者H2和N2的混合气体作为载气，高温烘烤200-1000秒； 步骤三，把图形衬底温度降至500-650°C ，通入三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa和NH3生长氮化镓侧向外延诱导层；该氮化镓侧向外延诱导层为大小不一的岛状。
步骤四，氮化镓侧向外延诱导层生长完毕之后，停止向反应室中通入三甲基镓TMGa，继续向反应室中通入NH3及载气，同时把生长温度升高到IOO(TC -IIO(TC，当升到IOO(TC -IIO(TC后，恒温50-300秒；使得较小的岛状GaN分解，达到保留成核较大的岛状GaN的目的； 步骤五，重复步骤三至步骤四2-5次，直到形成的都是比较大的岛状GaN;
步骤六，继续向反应室中通入朋3及载气，将衬底温度保持在IOO(TC -IIO(TC，同时向反应室中通入三甲基镓TMGa，再该高温下完成最终的氮化镓大岛间的侧向外延生长过程，并生长高质量的GaN外延层； 步骤七，在此GaN外延层的基础上继续外延生长GaN基发光二极管的结构。
需要说明的是，MOCVD技术涉及的工艺条件等都已为本领域技术人员所熟悉，故在此不再详细描述。 根据本发明，可以1)控制台面上的侧向外延生长，2)图形衬底上的漏电、抗静电ESD的等电性参数性能提高，3)外延层中应力控制，最终相对在图形衬底上一般正常结构生长的外延层结构，亮度可提高15 25%， ESD可以从HM1000V提高到HM8000V以上。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一，采用干法腐蚀或湿法腐蚀的方法在衬底上制作图形，形成图形衬底；步骤二，采用MOCVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2做载气，三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa、三甲基铟TMIn和三甲基铝TMAl分别作为Ga源、In源和Al源，在MOCVD反应室中把图形衬底加热到1100℃-1200℃，用H2或N2或者H2和N2的混合气体作为载气，高温烘烤200-1000秒；步骤三，把图形衬底温度降至500-650℃，通入三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa和NH3生长氮化镓侧向外延诱导层；步骤四，分解较小的氮化镓侧向外延诱导层；氮化镓侧向外延诱导层生长完毕之后，停止向反应室中通入三甲基镓TMGa，继续向反应室中通入NH3及载气，同时把生长温度升高到1100℃-1200℃，当升到1100℃-1200℃后，恒温50-300秒；步骤五，重复步骤三至步骤四n次，其中n为整数，n≥1；步骤六，继续向反应室中通入NH3及载气，将衬底温度保持在1000℃-1100℃，同时向反应室中通入三甲基镓TMGa，在该高温下完成最终的氮化镓大岛间的侧向外延生长过程，并生长高质量的GaN外延层；步骤七，在此GaN外延层的基础上继续外延生长GaN基发光二极管的结构。
2. 如权利要求1所述的一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于所述图形衬底的图形为矩形排列的柱状或三角排列的凸包状周期性微结构。
3. 如权利要求1所述的一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于所述矩形排列的柱状或三角排列的凸包状周期性微结构的最大高度为O. 05-15 ym。
4. 如权利要求1或2或3所述的一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于所述步骤一中的衬底为蓝宝石衬底、Si衬底或者SiC衬底。
5. 如权利要求1所述的一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于所述氮化镓侧向外延诱导层厚度为5nm-300nm。
6. 如权利要求1所述的一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于所述步骤四中的n为1-10次。
7. 如权利要求1至6任意所述的一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，其特征在于所述的图形衬底的周期间距为O. 05-15 ym，占空比为0. 5-4，腐蚀深度为0. 05—15 iim。
全文摘要
本发明涉及一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，利用在图形衬底上的低温层处理技术解决衬底台面上侧向外延生长的问题，进一步改善整个外延层的晶体质量，从而有效的提高外延层内量子效率。本发明能有效控制台面上的侧向外延生长，有利于图形衬底上的漏电、抗静电ESD等电性参数性能提高，最终相对在图形衬底上一般正常结构生长的外延层结构，亮度可提高15～25％，ESD可以从HM1000V提高到HM8000V以上。
文档编号H01L21/324GK101719466SQ200910197418
公开日2010年6月2日 申请日期2009年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者刘文弟, 周健华, 张国义, 李淼, 潘尧波, 袁根如, 郝茂盛, 颜建锋 申请人:上海蓝光科技有限公司;北京大学;彩虹集团公司