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响，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，由于图形衬底初始生长的基本结合面直接影响了整个外延层中的应力分布及最终产 品的电性参数，本发明通过生长一层低温氮化镓应力控制层，在有效的控制最终产品的漏 电，抗静电ESD等电性参数的同时，实现了量子阱结构中的应力控制，达到进一步的提高外 延层的内量子效率。 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 -1200°〇，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，在H2或N2或它们的混合气体作为载气下，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GaN成核层，其生长厚度在 10nm-50nm之间；
步骤四，退火； 氮化镓成核导层生长完毕之后，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IIO(TC -120(TC，当升到IIO(TC -120(TC后， 恒温退火30-300秒； 步骤五，继续步骤四的条件，打开三甲基镓(TMGa)，生长一层高温GaN薄层，其生 长厚度在50-1500nm ; 步骤六，在高温薄层GaN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，同时将生长温度降低到700-95(TC后打开三甲基镓(TMGa)， 生长一层低温氮化镓应力控制层； 步骤七，在低温氮化镓应力控制层生长完毕之后，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，同时将生长温度升高到IIO(TC -1200°C ;
步骤八，重复步骤五及步骤六n次，其中n为整数，10 l，直到图形衬底的底 部平台外延填充完毕； 步骤九，继续向反应室中通入NH3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，在该高温下完成侧向外延生长高质量的GaN外延层；
步骤十，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。
本发明一种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，通过生长一层低温氮化 镓作为应力控制层，在有效的控制最终产品的漏电，抗静电ESD等电性参数的同时，实现了 量子阱结构中的应力控制，达到进一步的提高外延层的内量子效率。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。
图1为应力控制层的生长结构示意图。
具体实施例方式
实施例1 —种在图形衬底上生长氮化物薄膜外延层的方法，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蓝宝石衬底上制作图形，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1100°C以上，优选1100°C -1200°C ，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；优选高温烘烤600秒。 步骤三，在H2或N2或它们的混合气体作为载气下，把图形衬底温度降至500-650°C ，优选520°C ，通入三甲基镓TMGa或三乙基镓TEGa和NH3生长氮化镓成核层，其生长厚度在10nm-50nm之间；
步骤四，退火； 氮化镓成核层生长完毕之后，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1 IO(TC以上，优选1100°C -1200°C ，当升到IIO(TC -120(TC后，恒温退火30-300秒; 步骤五，继续步骤四的条件，打开三甲基镓(TMGa)，生长一层高温GaN薄层，其生长厚度在50-1500nm ; 步骤六，在高温薄层GaN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，同时将生长温度降低到950°C以下，优选700-950°C ，最好是850°C，当温度降至85(TC左右时打开三甲基镓(TMGa)，生长一层低温氮化镓作为应力控制层； 步骤七，在应力控制层生长完毕之后，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，同时将生长温度升高到IIO(TC以上的某一温度，优选IIO(TC -1200°C ; 步骤八，重复步骤五及步骤六n次，其中n为整数，lO l，直到图形衬底的底部平台外延填充完毕； 步骤九，继续向反应室中通入NH3及载气，将蓝宝石衬底衬底温度保持在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侧向外延生长高质量的GaN外延层； 步骤十，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为矩形排列的柱状或三角排列的凸包状周期性微结构。
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0. 05-15践。 所述的图形衬底的周期间距为0.05-15ym，占空比为0. 5_4，腐蚀深度为0. 05-15践。 根据本发明一方面使得图形衬底上的漏电、抗静电ESD等电性参数性能提高，另一方面，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，它采用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；衬底为Si图形衬底或者SiC图形衬底等；其特征在于，该方法包括以下步骤(以蓝宝石图形衬底为例) 步骤一，在MOCVD反应室中把蓝宝石图形衬底加热到IIO(TC以上，用H2或N2或者它们的混合气体作为载气，高温烘烤600秒； 步骤二，在H2或N2或它们的混合气体作为载气下，把衬底温度降至520°C ，通入三甲基镓(TMGa)和NH3生长GaN成核层，其生长厚度在10nm-50nm之间；
步骤三，氮化镓成核层生长完毕之后，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，同时将生长温度升高到IIO(TC以上的某一设定温度后，恒温处理30-300秒，使氮化镓成核层达到退火的目的； 步骤四，继续步骤三的条件，打开三甲基镓(TMGa)，生长一层薄层高温GaN，其生长厚度在50-1500nm左右； 步骤五，在高温薄层GaN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，同时将生长温度降低到900°C以下的某一设定温度后(如850°C )后生长一层低温氮化镓作为应力控制层； 步骤六，在低温氮化镓应力控制层生长完毕之后，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，同时将生长温度升高到IIO(TC以上的某一设定温度； 步骤七，重复步骤五及步骤六n次，(其中n为整数，n > l)，直到图形衬底的底部平台外延填充完毕；一般重复2到3次，图形衬底的底部平台外延可以填充完毕。
步骤八，继续向反应室中通入NH3，及H2或N2或它们的混合载气气体，将衬底温度保持在105(TC以上的某一设定温度，同时向反应室中通入三镓(TMGa)，开始在高温下生长高质量的GaN外延层； 步骤九，在高质量的GaN外延层上继续外延生长各种各样的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。 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，在H2或N2或它们的混合气体作为载气下，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生长氮化镓成核层，其生长厚度在10nm-50nm之间；步骤四，退火；氮化镓成核层生长完毕之后，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，恒温退火30-300秒；步骤五，继续步骤四的条件，打开三甲基镓(TMGa)，生长一层高温GaN薄层，其生长厚度在50-1500nm；步骤六，在高温薄层GaN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，同时将生长温度降低到700-950℃后打开三甲基镓(TMGa)，生长一层低温氮化镓作为应力控制层；步骤七，在低温氮化镓应力控制层生长完毕之后，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，同时将生长温度升高到1100℃-1200℃；步骤八，重复步骤五及步骤六n次，其中n为整数，10≥n≥1，直到图形衬底的底部平台外延填充完毕；步骤九，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，在该高温下侧向外延生长高质量的GaN外延层；步骤十，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 于所述步骤六中将生长温度降低到85(TC，生长一层低温氮化镓作为应力控制层。
6. 如权利要求1至5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O. 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，通过引入一层低温氮化镓应力控制层，在有效的控制最终产品的漏电，抗静电ESD等电性参数的同时，实现了量子阱结构中的应力控制，达到进一步的提高外延层的内量子效率。
文档编号H01L33/06GK101702422SQ20091019788
公开日2010年5月5日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29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