CN103123947B - 一种改善各种衬底外延底层长晶质量的方法 - Google Patents

一种改善各种衬底外延底层长晶质量的方法 Download PDF

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Abstract

一种改善各种衬底外延底层长晶质量的方法，本申请属于LED外延工艺技术领域，通过在高温处理衬底之前设立pre‑dose工步，对衬底预先进行氮化或非氮化处理，提高了高温条件下生长U型GaN薄膜的结晶质量，改善了均匀性，使得整个LED外延层的结构质量更高，同时降低了反向漏电，提高了亮度。解决了现有技术中底层均匀性不够好导致部分电性参数飘高，均匀性较差，易出现外观缺陷等问题。

Description

一种改善各种衬底外延底层长晶质量的方法
【技术领域】
本申请属于LED外延工艺技术领域，涉及到在各种衬底上外延GaN薄膜，特指改善外延底层的长晶质量，从而改善LED的电性。
【技术背景】
借助于蓝宝石衬底生长GaN半导体发光器件最早由日亚公司中村修二博士开发出来，经过多年的技术改进，目前，GaN-on-Al2O3是市场上绝大多数磊晶企业采用的技术。
蓝宝石材料与GaN材料从晶格常数、热涨系数到折射率都相差很大。这些物理性质差异直接导致的结果是抑制外延生长GaN材料质量的提高，引入缺陷，致使LED内量子效率(IQE)受到限制，进而影响外量子效率(EQE)以及光效的提高。技术的要求使得pss技术随后出现。
Pss技术发展是基于蓝宝石衬底和横向过外延生长(ELOG)。
为了提高在蓝宝石衬底上获得高质量的GaN材料，1994年Kato等人在外延工艺中引入ELOG，这就是pss雏形。早期的图形是做在低温GaN层上，这样外延分两步法，效率低，还以引入污染。后来，韩国出现现在的将图形直接做在蓝宝石衬底上的pss技术，该技术ELOG由两步法变成一步完成，缺陷浓度降低一个数量级。
除Al2O3衬底之外，SiC、Si等也可作外延衬底，它们在不同项中有各自的优势，但外延同质化是行业的最终趋势。
在除GaN之外的其它衬底上的外延技术，生长关键是底层如何很好的由缓冲层过渡U型GaN。有待于改善缓冲层的均匀沉积诱导作用，该项工艺改进起到很好的作用，使得U型GaN模板的生长得到优化，并可应用在各种衬底长晶技术中。
现有的各种衬底上生长GaN薄膜以制造发光半导体LED器件，早期通过改进buffer及U型GaN磊晶条件，可以实现磊晶的正常化，但是底层均匀性不够好导致部分电性参数飘高，均匀性较差，易出现外观问题，本发明针对以上情做出了工艺的改进。
【发明内容】
本发明的创新点是在衬底材料的高温烘焙(pre-bake)之前加入了预处理(pre-dose)工步，以改善外延底层长晶质量。该工艺方法具体包括如下步骤：预处理(pre-dose)步骤、高温烘焙(pre-bake)步骤以及按顺序生成缓冲层、U型GaN、N型GaN层、量子阱层、p型GaN层、欧姆接触层的步骤。在高温处理衬底，即高温烘焙(pre-bake)之前加入预处理(pre-dose)工步，对衬底预先氮化或非氮化，在N2或H2气氛中进行预处理(pre-dose)得到微晶结构，调控预处理(pre-dose)的温度条件、MO源流量及时间、反应器压力达到工艺优化。
与现有工艺技术相比较，该方法优点在于：该方法在高温处理衬底，即高温烘焙(pre-bake)之前加入预处理(pre-dose)步骤，并没有增加工艺的复杂性，在高温H2条件下参与对衬底机械物理损伤修复，在各种衬底生长低温成核层buffer及高温再结晶时起到诱导作用，为U型GaN的生长提供一个更好的取向一致性的模板，提高了高温条件下生长U型GaN薄膜的结晶质量，均匀性得到改善，使得整个LED外延层的结构质量更高，结构缺陷的减少使得载流子辐射性复合几率增加而提高了亮度，同时降低了反向漏电。
【具体实施例】
在一个优选实施例中，在高温烘焙(pre-bake)衬底之前，首先将MOCVD反应腔内的温度升至700℃，调节TMGa源流量为50sccm，NH3流量为10000sccm，持续近60s，进行预处理(pre-dose)，反应得到的微晶均匀分布于衬底表面；然后升温至1100℃以上，热处理衬底，去除sapphire表面吸附的杂质或污染物，经过pre-dose和高温处理后的衬底生长低温GaN层做外延缓冲层进行外延磊晶。

Claims (5)

1.一种改善各种衬底外延底层长晶质量的方法，包括：高温烘焙工步、生成缓冲层的工步、生成u型GaN的工步、生成N型GaN层的工步、生成量子阱层的工步、生成P型GaN层的工步以及生成欧姆接触层的工步，其特征在于：在所述高温烘焙工步之前，还存在一个预处理工步；
所述预处理工步是在MOCVD反应腔内进行的，MOCVD反应腔内的温度为600-800℃，MOCVD反应腔内包括TMGa源和NH3，TMGa源流量为50sccm，NH3流量为10000sccm，预处理的时间为40-100秒。
2.根据权利要求1所述的改善各种衬底外延底层长晶质量的方法，其特征在于：预处理的处理参与到随后的高温气氛下高温烘焙对衬底机械损伤修复处理。
3.根据权利要求1所述的改善各种衬底外延底层长晶质量的方法，其特征在于：预处理的处理气体环境是N2或H2气氛的一种。
4.根据权利要求1所述的改善各种衬底外延底层长晶质量的方法，其特征在于：在预处理之前氮化或取消氮化，不通入其他反应性气体和金属有机化合物。
5.根据权利要求1所述的改善各种衬底外延底层长晶质量的方法，其特征在于：预处理是生成的孤立微晶而不是薄膜层状，MO通量要求微量，MO源为TMGa，V族源为氨气。
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