专利名称：一种氮化镓系半导体发光器件外延片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化镓系半导体发光器件的外延制作方法，属于半导体发光技术领域。
背景技术：
在半导体发光以及照明等领域，以氮化镓及其他III族氮化物为代表的宽禁带半导体材料逐渐成为研究的热门材料[F. A. Ponce&D. P. bour,Nature Vol 386,351 (1997)],由氮化镓系半导体材料制作的LED蓝绿光发光二极管已经成功研制和应用，并以其高效，长寿命，环保等优点而广受关注，应用在诸如室外全彩大屏显示，LED路灯，汽车日间行车灯，交通指示灯等方面。另外室温下寿命超过1000小时的2mw短波段氮化镓系半导体激光器也已经实验成功，理论寿命估计可达10000小时以上[Shuji Nakamura, et al. , Jpn. J. Appl.Phys. Vol. 36，L1568-L1571 (1997)]，这意味着在未来的发展中，宽禁带半导体材料制作的·发光器件可以应用于激光打印机，大容量信息存储，水下通讯等方面，其前景十分广阔。虽然氮化镓系蓝绿光LED已经广泛应用，但是成本和技术上，仍然存在一些需要解决的问题。如异质外延的晶体质量差，缺陷密度大[Carol I. H. Ashby, et al. ,Appl.Phys. Lett.，77，3233 (2000)]和光出射效率低等。由于材料本身性质以及异质外延晶格失配等原因，有源区中极化效应十分明显[Fabio Bernardini, Vincenzo Fiorentini,PHYSICAL REVIEW B Vol 57 R9427 (1998)]，产生例如量子限制斯塔克效应(QCSE)等问题[Jin Seo Im, et al. , PHYSICAL REVIEW B Vol 57，R9435 (1998)]。另外氮化镓系材料折射率高于通常使用的衬底或芯片封装材料，这导致器件的光提取比较困难。以上这些问题的存在，使器件性能恶化，寿命缩短，发光效率降低，光提取效率低等，制约了氮化镓系材料的快速发展和应用。氮化镓是典型的III族氮化物材料，自然界中很难找到氮化镓晶体，又由于其本身的材料特性，无法利用传统拉单晶等工艺来制作大面积的氮化镓晶圆衬底。目前制作氮化镓系发光器件，是通过在A1203、SiC、Si等异质衬底上，采用MOCVD、MBE或HVPE等手段外延氮化镓系材料来实现加工。通过异质外延生长出来的氮化镓系材料，由于其与衬底之间晶格常数有差别，热膨胀系数不一致等原因，在外延层中会存在大量的残余应力和晶体缺陷，这会使晶体质量下降，晶体内部会存在大量的位错。虽然有研究发现在衬底上外延氮化镓系材料之前先生长一层缓冲层以释放晶格应力[Shuji Nakamura et al. ,Jpn. J. ofAppl. physics, 30, L1705 (1991)],但是这种方法仍然无法彻底补偿晶格失配问题,外延层中仍然存在大量的缺陷。在降低晶体缺陷的研究中侧向外延技术(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO)被广为关注[Akira Sakaia, et al. , Appl. Phys. Lett. 71,2259 (1997), Tsvetanka S,et al.，Appl. Phys. Lett. 71，2472 (1997)]，通过这种技术，室温下持续工作超过1000小时的2mW短波段氮化镓系半导体激光器已经被展示出来[Shuji Nakamura,et al. ,Appl.Phys. Lett. 72,211 (1997)]。在此基础上，人们又发展了一阶侧向外延技术[1S-EL0，F.Bertram, et al. ,Appl. Phys. Lett. 74,359 (1999)],悬空外延技术[Pendeo-Epitaxy,T. S. Zheleva, et al.，Appl. phys. lett. 74, 2492 (1999) ]，二阶侧向外延技术[2S-EL0,Zhonghai Yu, et al. , MRS Interner J. Nitride Semicond. Res. 4S1. G4. 3 (1999)]等方法。但是这些方法都有自己不足的地方，例如，外延层产生倾斜，多次外延会出现表面沾污等问题。在进一步的研究中，在侧向外延的基础上，出现了图形化衬底技术[T. V. Cuong,et Al. ,Appl. Phys. Lett. 90，131107 (2007)]，这种技术改善了二次外延出现的一些问题，并提高了器件的光提取效率。在传统工艺中，在图形化衬底表面进行外延时，都是采用加快侧向外延速率，使得外延层表面尽量平整，并进行其他器件结构的生长。氮化镓系材料是极性半导体材料，晶体在特定的方向上(如
方向)体现出自发极化。另外为了制作多量子阱结构，组成有源区的外延层都是异质外延产生的薄膜，由于异质外延会产生晶格不匹配等问题，造成薄膜受到应力作用并使有源区内产生强的压电电场[Fabio Bernardini, Vincenzo Fiorentini，PHYSICAL REVIEW B , Vol 57，R9427(1998)]。压电电场和自发极化电场的存在使器件的光电性能受到不良影响[如量子限制斯塔克效应(QCSE)]。改良的技术包括非极性面或半极性面衬底外延技术等[PhilippeVennegues, et al. , JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 108，113521 (2010)]。·氮化镓的折射率比蓝宝石衬底的折射率要高，因此只有少部分光可以从氮化镓与衬底蓝宝石衬底交界面发射出去，而器件的正表面封装后与树脂接触，多数封装树脂材料折射率比氮化镓要低，因此，光线很容易由于全反射等原因被反射回来，在衬底界面与电极之间来回反射，直到被氮化镓材料吸收掉[Motokazu YAMADA,et al. ,Jpn. J. Appl. Phys.Vol. 41,L 1431-L 1433 (2002)]，因而发光器件的光提取效率很低。附图I所示即为现有技术中一种图形化外延片的结构示意图，包括衬底101、图形层102、覆盖层103、N型GaN层104、有源层105、P型GaN层106以及结构层107，显然，所述结构层107的表面是平坦的，故光线很容易由于全反射等原因在这一层被反射回来，直到被N型GaN层104、有源层105以及P型GaN层106等吸收掉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓系半导体发光器件外延片的制作方法，通过采取这种方法，可以提闻外延结构与衬底交界面处的光提取效率，提闻芯片表面的光提取效率，降低外延层中的位错密度，减弱有源区中极化效应，提高器件发光效率。为了解决上述问题，本发明的技术方案包括如下步骤在图形化衬底表面低温生长成核层；对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面；在带有颗粒状晶核的图形化衬底表面依次生长非掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有凹凸不平表面的LED有源层结构继续采用与前一步骤相同的工艺生长表面结构层，从而获得呈现有凹凸不平的表面结构层。本发明利用图形衬底上GaN基材料生长技术中侧向和纵向生长速率可控的特点，在生长初期，外延材料首先在图形衬底的势能最低点处，即图形衬底的突出形状的周围或凹陷处成核生长，其成核层在完成500°C飞50°C低温生长以后，进行900°C 1100°C高温退火处理，经退火后在衬底表面形成大量的颗粒状晶核，这些晶核是具有弱极性面的GaN外延层。由于侧向和纵向的生长速率比可以通过反应室的生长条件来控制，通过控制生长条件生长温度，生长压力，和V/III比等参数来控制晶核的纵向生长速率(垂直于外延衬底平面)高于横向生长速率(平行于外延衬底平面)，当相邻颗粒状晶核侧向外延部分两两相结合时，使得外延生长面上形成有显示出氮化镓系半导体晶体不同晶面的凹凸不平的岛状结构，即形成非平面的，凹凸不平的GaN外延层，然后在此凹凸不平的结构上继续生长其它结构。本发明所述的氮化镓基发光二极管外延片结构在图形化衬底表面从下至上依次包括成核层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、P型AlGaN层、P型GaN层以及表面结构层。可选的，所述的图形化衬底，可以由A1203、SiC、Si、GaAs, LiAlO2, MgAl2O4,ScMgAlO4^ZnO以及适合于氮化镓系半导体材料外延生长的衬底加工制作而成。图形化衬底其图形结构可以是规则排列的周期条形突出形状，周期条形凹陷形状，周期的球形凹陷结构，周期的球形突出结构，或是金字塔形结构，衬底表面可以是晶体的极性面也可以是晶体 的非极性面或半极性面。可选的，所述的成核层材料为AlxInyGai_x_yN，其中O彡X彡1，0彡Y彡I。成核层低温生长厚度为15nnTl00nm之间，且表面平整，高温处理后，表面连续的成核层变为大量的岛状颗粒晶核，岛直径约为150nnT500nm之间，高度约为60nnT500nm之间,排列于图形衬底突出形状的周边或图形衬底凹陷形状的凹陷处。可选的，所述的有源层采用3 10个周期的InGaN/GaN多量子阱，制作在由衬底表面岛状颗粒结构“复制”上来的具有凹凸不平表面的N型GaN层上面。可选的，所述的P型掺杂剂选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一种,所述N型掺杂剂选自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一种。本发明采用低压金属有机化学气相沉积系统(LP-MOCVD)设备，利用高纯H2和N2作为载气，进行LED外延片的制备。传统氮化镓系发光器件在完成成核层结构后，都会加快横向外延速率，使晶核颗粒尽快横向生长并融合在一起，获得平整的氮化镓表面，并在此表面上继续生长其他结构(如现有技术中的附图I所示)。与传统外延工艺以及传统图形化衬底外延工艺不同，本发明首先在图形化衬底表面制作岛状成核层，然后通过控制外延生长条件，使成核层内岛状晶核不同裸露面的生长速率不同，经高温退火后形成大小不一的颗粒状晶核，接着，控制生长条件，使纵向生长速率(垂直于外延衬底平面的方向)高于横向生长速率，从而在生长平面上形成凹凸不平的外延表面，并在此界面上完成后续外延结构。通过这种方法，能够使得衬底上这些凹凸不平的结构逐层传递到外延片表面，使得完成外延后的晶圆表面依然有衬底表面上的这种凹凸不平的结构。与侧向外延技术或图形化衬底外延技术类似，这种结构可以降低位错密度。而且由于是控制晶体不同表面的生长速率，因而得到的凹凸不平的生长表面实际上是晶体不同晶面的体现，其局部平整度良好，并且这些晶面一般是非极性面或半极性面，在这些非极性或半极性的氮化镓系材料表面生长的有源区多层材料其极化效应对器件特性的不良影响将明显减弱，与传统平整的有源区结构相比，本发明结构的有源区生长在凹凸不平的N型氮化镓上，使有源区总的发光面积增加，出光角度更加随机。另外衬底表面上的这些凹凸不平岛状颗粒从尺寸、外观和分布位置等方面都具有随机性，这使得这一界面的光提取效率大大增加，芯片表面同时形成的凹凸结构也提高了正面的光提取效率。与传统的LED器件衬底结构相比，本发明的优点是有效地提高半导体发光器件的发光效率和光提取效率，降低位错密度，进而提高了器件的光电性能。
附图I为现有技术中一种图形化外延片的结构示意图。附图2为本发明所述方法的工艺示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的一种氮化镓系半导体发光器件外延片的制作方法·的具体实施方式
做详细说明。为了使制作过程更易于理解，实施例中将采用以MOCVD制作蓝绿氮化镓(GaN)系LED为例进行说明，但本发明结构并非仅可以使用在蓝绿光LED的制作中。实例中以蓝宝石图形化衬底(C-Plane)为基底进行外延加工，外延结构的侧剖面图如说明书附图2所示。此外，为制作本发明进行的外延生长设备，并非仅可采用M0CVD，也可以使用MBE，HVPE等外延设备。实施方案中，仅重点描述发明的特征部分，其他附属结构或加工步骤常规描述是为使读者能够更详细的了解发明特征而进行，以便说明本发明结构制作的可行性，采用本发明的结构特征，使用其他附属结构或加工步骤而制作的器件仍然属于所述权利要求之内。附图2所示为本发明所述方法的工艺示意图，本发明所述的一种氮化镓系半导体发光器件外延片的制作方法具体步骤如下
将图形化的蓝宝石衬底201置于MOCVD反应室内，首先将反应室升温至600°C 1100 °c范围内，通入氨气、氢气和娃烧中的至少一种气体，对衬底表面进行处理。反应室降温至550°C 560°C范围内，优选560°C，通入TMGa和氨气，TMGa流量控制在20sccm-30sccm,氨气流量控制在2000sccm-2500sccm,反应压强控制在300Torr左右，生长60秒至120秒，得到20 30nm厚的缓冲层。在900 1100°C下，高温退火处理,得到大量颗粒状晶核202。将反应室温度提升至1000°C 1150°C之间，以氢气为载气的条件下，保持氨气流量约为 O. 13mol/min O. 15mol/min, TMG 流量控制为 98 μ mol/min 105 μ mol/min,使反应室内V /III的值约为1350，反应室内的压强控制在300Torr，生长2μπι厚的非掺杂GaN层203，然后反应室增加通入Si源，再生长2 μ m厚的N型掺杂GaN层207。通过以上的条件，可以控制晶核的纵向生长速率(垂直于外延衬底平面)高于横向生长速率(平行于外延衬底平面)。这样外延生长面上会体现出GaN晶体的{1-101}、{11-22}等特定晶面，宏观上呈现出凹凸不平的岛状结构。反应室降温至650 900°C范围内，优选760 850°C，生长5周期的InxGa^xN(0〈X〈1) /GaN多量子阱结构204，作为有源区。完成后，将反应室温度升至1040 1080°C生长P型AlGaN层，生长厚度范围为15 25nm，生长时反应室通入Ga源、N源、Al源、Mg源。反应室内通入Ga源、N源、Mg源继续生长P型掺杂GaN材料，生长厚度为0.01 I μ m,优选厚度为O. I O. 3 μ m，形成P型AlGaN层和P型掺杂GaN材料共同构成的复合层205。以上N型掺杂GaN层207、多量子阱结构204以及复合层205的生长工艺都能保持原有的凹凸不平的表面形貌。最后，根据器件使用要求，在P型GaN表面生长欧姆接触优化层、光提取层或抗静电层等透明导电结构206，这些结构可以采用300ΤΟΠ·左右的反应压强，V /III的值约为1350，外延生长时间120s-180s，通过这些参数的调整，可以保持晶圆表面凹凸不平的形貌。完成生长后，可在反应室内或反应室外氮气氛围下700 750°C退火20 25min激活掺杂剂。至此完成外延片的生长，后续将外延片加工为LED芯片的工序不再赘述。以上外延片制备过程中，MOCVD生长氮化镓系半导体晶体的材料源分别为=TMGa提供Ga源，TMIn提供In源，TMAl提供Al源，氨气提供N源，CP2Mg提供P型掺杂剂Mg源，娃烧提供N型掺杂剂Si源,运载气体为氢气或氮气中的至少一种。
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以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种氮化镓系半导体发光器件外延片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤 在图形化衬底表面低温生长成核层； 对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面； 在带有颗粒状晶核的图形化衬底表面依次生长非掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有凹凸不平表面的LED有源层结构 继续采用与前一步骤相同的工艺生长表面结构层，从而获得呈现有凹凸不平的表面结构层。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述成核层的厚度范围是15 lOOnm，且表面连续。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的成核层材料为AlxInyGa^yN,其中O≤X ≤1,0 ≤Y ≤I0
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，颗粒状晶核的岛直径约为150nnT500nm之间，高度约为60nnT300nm之间，排列于图形衬底突出形状的周边或图形衬底凹陷形状的凹陷处。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述图形化衬底可以由A1203、GaN,SiC、Si、GaAs, LiAlO2, MgAl2O4, ScMgAlO4、或ZnO加工制作而成；图形化衬底的图形结构可以是周期条形突出形状，周期条形凹陷形状，周期的球形凹陷结构，周期的球形突出结构，或是金字塔形结构，衬底表面可以是晶体的极性面也可以是晶体的非极性面或半极性面。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的P型掺杂剂选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一种，所述N型掺杂剂选自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一种。
全文摘要
本发明是有关于一种氮化镓系半导体发光器件的外延制作方法，包括如下步骤在图形化衬底表面低温生长成核层；对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面；在带有颗粒状晶核的图形化衬底表面依次生长非掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有凹凸不平表面的LED有源层结构继续采用与前一步骤相同的工艺生长表面结构层，从而获得呈现有凹凸不平的表面结构层。与传统的LED器件衬底结构相比，本发明的优点是有效地提高半导体发光器件的发光效率和光提取效率，降低位错密度，进而提高了器件的光电性能。
文档编号H01L33/00GK102842659SQ201210293710
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月17日 优先权日2012年8月17日
发明者徐琦 申请人:马鞍山圆融光电科技有限公司