CN103498193A - 一种提高材料晶体质量的外延生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种改进的外延生长方法和结构设计理念，能够大幅度稳定提高外延材料晶体质量和提升发光材料和器件的效率。该外延生长方法的特别之处在于，其前期生长过程先进行两次短暂生长，主要包括以下环节：（1）在反应室内，在400度至900度升温过程中，通入TMGa和NH₃，进行外延生长一段时间，然后停止通入TMGa和NH₃，继续升温至高温段；（2）在高温段维持10-300s后，再次通入TMGa和NH₃并维持10-200s；然后停止通入，继续在高温段处理10-500s。按照本发明的方法进行外延生长，有利于处理掉衬底固有的机械损伤和形成初期的成核中心，而在后续的外延生长过程中更加有利于成核和外延的继续，对于材料的晶体质量提高起到了明显的效果。

Description

一种提高材料晶体质量的外延生长方法

技术领域

本发明属于光电器件材料制备和结构设计技术领域，主要涉及一种用于提高外延材料晶体质量的方法。

背景技术

LED外延片是指在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石、SiC、Si等）上所生长出的特定单晶薄膜。外延片处于LED产业链中的上游环节，是半导体照明产业技术含量最高、对最终产品品质、成本控制影响最大的环节。

LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和SiC、Si)上，气态物质有控制地输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。

目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa分解出的Ga与NH₃的化学反应实现的，其可逆的反应方程式为：

Ga+NH₃=GaN+3/2H₂

生长GaN需要一定的生长温度，所以还需要一定的NH₃分压。

传统的外延生长工艺中，一般均采用先对衬底材料进行高温的处理，之后降到低温生长一层低温的缓冲层之后对于缓冲层进行高温退火处理，再在合适的温度继续生长非掺的缓冲层，之后依次生长N型层，量子阱层，P型层和接触层。

具体的前期生长过程，主要包括以下环节：

（1）在反应室内，持续升温至高温段；

（2）在高温段维持20-800s；

（3）然后，逐渐降温至缓冲层的生长温度，开始持续通入NH₃，并在50-300s后再通入TMGa进行生长120-250s；然后停止通入TMGa并开始升温，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

传统的外延工艺的外延层生长窗口很窄，各层材料生长的工艺条件需要严苛的控制才能生长出晶体质量较好的外延层。

发明内容

本发明基于目前发光器件材料生长和结构设计，提出了一种改进的外延生长方法和结构设计理念，能够大幅度稳定提高外延材料晶体质量和提升发光材料和器件的效率。

本发明的方案如下：

一种提高材料晶体质量的外延生长方法，其特点是，前期生长过程主要包括以下环节：

（1）在反应室内，在400度至900度升温过程中，通入TMGa和NH₃，进行外延生长一段时间，然后停止通入TMGa（三甲基镓）和NH₃，继续升温至高温段。在这里，并非要求自400度开始即通入气体直至900度，而是强调先在该升温区间中（的任意时段），进行一次“通入TMGa和NH₃”。

（2）在高温段维持10-300s后，再次通入TMGa和NH₃并维持10-200s；然后停止通入，继续在高温段处理10-500s。

（3）然后，逐渐降温至缓冲层的生长温度，开始持续通入NH₃，并在50-300s后再通入TMGa进行生长120-250s；然后停止通入TMGa并开始升温，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

上述第（3）环节，实际上与传统方案在相应温度阶段的工艺相同，并且在之后，也仍然可以按照传统方案依次完成后续的外延生长3D和uGaN等环节，最终制得外延片。

基于上述基本方案，本发明还进一步做如下优化限定和改进：

为了得到良好的晶体质量和加大外延工艺窗口，以上的步骤（1）-（3）可重复1-10次，对于晶体质量的提高效果更佳，但是会增加额外的工艺时间；因此优选2-3次。

第（1）环节中，通入TMGa和NH₃的最佳温度区间为450-850度，持续时间分别为30-150秒；

第（2）环节中，通入TMGa和NH₃的最佳温度区间为1020-1090度，持续时间分别为25-75秒。

本发明具有以下优点：

按照本发明的方案，在原有的缓冲层生长之前已经分别在低温段和高温段进行了2次的短暂外延生长，如此有利于处理掉衬底固有的机械损伤和形成初期的成核中心，而在后续的外延生长过程中更加有利于成核和外延的继续，对于材料的晶体质量提高起到了明显的效果。

本发明通过对缓冲层生长之前的工艺条件进行优化改善，扩宽了外延生长的工艺窗口，在不增加额外工艺步骤和时间的条件下，大幅度提升了不同衬底材料外延生长的晶体质量，对衬底选择和工艺温度的选择余度明显变大。对于大批量产的工艺和衬底材料选择提供了良好的生长基础，满足了当前大规模生产的需要，可以通过此技术得到高品质的外延材料，进而提升材料的器件效率。

附图说明

图1为传统外延生长方法的示意图。

图2为本发明的原理示意图。

具体实施方式

本发明的主要特点在于前期生长过程中，先进行两次的短暂外延生长，即在上升到高温处理的过程中打开TMGa和NH₃进行外延生长一段时间后关闭，在高温处理阶段进行一段时间后再次打开TMGa和NH₃进行外延生长一段时间后关闭，之后保持高温处理一段时间后继续后续的缓冲层，3D层和uGaN层生长即可。

本发明的方案能够适用于现有的各种不同的蓝宝石衬底材料，以下给出几个具体实施例以及实验验证，对本发明做进一步详述。

当然，本发明的方案思路也可以用在其他衬底材料如硅衬底，碳化硅衬底等的外延生长上，在传统的缓冲层生长之前进行两次或以上不同温度的外延生长并进行后续的高温处理后再继续传统工艺生长的思路均属于本发明的保护范畴。

实施例一

使用蓝宝石平面衬底进行对比试验。

首先使用传统的LED工艺进行外延生长，即：

在反应室内，从室温开始升温到1050度，升温速度为1.5度/秒，在1050度高温段维持435s后，逐渐降温至缓冲层的生长温度530度，开始持续通入NH₃，并在120s后再通入TMGa进行生长150s；然后停止通入TMGa并开始升温到1020度，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

之后继续生长后续的3D、U GaN、N GaN、MQW、P GaN等LED功能层即可；生长结束对于LED结构进行XRD测试，（002）(102)晶面半宽为370arcsec和413arcsec。

之后，使用相同的衬底和MOCVD机台进行对比试验。

在反应室内，从室温开始升温到1050度，升温速度为1.5度/秒，在温度到达500度时，通入TMGa和NH₃进行外延生长，当温度达到650度时关闭TMGa和NH₃，通反应物TMGa和NH₃时间大约100s；然后停止通入TMGa（三甲基镓）和NH₃，继续升温至高温段1050度；

在1050度高温段维持150s后，再次通入TMGa和NH₃并维持35s；然后停止通入反应物，继续在高温段处理250s；

然后，逐渐降温至缓冲层的生长温度530度，开始持续通入NH₃，并在120s后再通入TMGa进行生长150s；然后停止通入TMGa并开始升温到1020度，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

之后继续生长后续的3D、U GaN、N GaN、MQW、P GaN等LED功能层即可；生长结束对于LED结构进行XRD测试，（002）(102)晶面半宽为230arcsec和249arcsec。

同时对于两种条件下生长LED的结构进行光电性能测试，试验优化后LED结构20mA下亮度由50unit提升到了70unit，提升40%；同时漏电通过率由原来的75%提升到了95%以上；

实施例二

使用A厂家和B厂家图形化的蓝宝石衬底进行对比试验。

首先使用传统的LED工艺对A厂家和B厂家图形化的蓝宝石衬底进行外延生长，即：

在反应室内，从室温开始升温到1050度，升温速度为1.5度/秒，在1050度高温段维持435s后，逐渐降温至缓冲层的生长温度530度，开始持续通入NH₃，并在120s后再通入TMGa进行生长150s；然后停止通入TMGa并开始升温到1020度，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

之后继续生长后续的3D、U GaN、N GaN、MQW、P GaN等LED功能层即可；生长结束对于LED结构进行XRD测试，A厂家衬底外延的（002）(102)晶面半宽为370arcsec和350arcsec。B厂家衬底外延的（002）(102)晶面半宽为570arcsec和600arcsec，而且B厂家的外延外观为类多晶状；

之后，使用A厂家和B厂家相同的图形化的蓝宝石衬底和相同的MOCVD机台进行对比试验。

在反应室内，从室温开始升温到1060度，升温速度为1.6度/秒，在温度到达520度时，通入TMGa和NH₃进行外延生长，当温度达到600度时关闭TMGa和NH₃，通反应物TMGa和NH₃时间大约50s；然后停止通入TMGa（三甲基镓）和NH₃，继续升温至高温段1060度；

在1050度高温段维持150s后，再次通入TMGa和NH₃并维持45s；然后停止通入反应物，继续在高温段处理275s；

然后，逐渐降温至缓冲层的生长温度530度，开始持续通入NH₃，并在120s后再通入TMGa进行生长150s；然后停止通入TMGa并开始升温到1020度，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

之后继续生长后续的3D、U GaN、N GaN、MQW、P GaN等LED功能层即可；生长结束对于LED结构进行XRD测试，A厂家衬底外延的（002）(102)晶面半宽为250arcsec和243arcsec。B厂家衬底外延的（002）(102)晶面半宽为249arcsec和237arcsec，外延表面均光滑平整；

同时对于两种条件下生长LED的结构进行光电性能测试，试验优化后LED结构20mA下亮度由75unit/35unit提升到了90unit/85unit，分别提升了20%和140%；同时漏电通过率由原来的85%/15%分别提升到了95%以上；

从上述实施例可以看出，本发明通过在缓冲层之前进行工艺优化处理，对于不同衬底材料，均能够在大批量稳定生产时仍使晶体材料具备较高的质量，并提升了发光材料和器件的效率。

通过本方法的处理，可以使GaN材料的晶体质量大幅度提高，使用不同衬底材料生长的外延层，(102)（002）晶面半高宽均有由原来500-700arcsec降低到250arcses以下，外延层表面光滑平整无缺陷。

Claims (5)

1.一种提高材料晶体质量的外延生长方法，其特征在于：其前期生长过程主要包括以下环节：

（1）在反应室内，在400度至900度升温过程中，通入TMGa和NH₃，进行外延生长一段时间，然后停止通入TMGa和NH₃，继续升温至高温段；

（2）在高温段维持10-300s后，再次通入TMGa和NH₃并维持10-200s；然后停止通入，继续在高温段处理10-500s；

（3）然后，逐渐降温至缓冲层的生长温度，开始持续通入NH₃，并在50-300s后再通入TMGa进行生长120-250s；然后停止通入TMGa并开始升温，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：该前期生长过程重复1-10次。

3.根据权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于：第（1）环节中，通入TMGa和NH₃的温度区间为450-850度，持续时间分别为30-150秒；第（2）环节中，通入TMGa和NH₃的温度区间为1020-1090度，持续时间分别为25-75秒。

4.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，该外延生长方法是基于蓝宝石平面衬底进行：

在反应室内，从室温开始升温到1050度，升温速度为1.5度/秒，在温度到达500度时，通入TMGa和NH₃进行外延生长，当温度达到650度时关闭TMGa和NH₃；然后继续升温至高温段1050度；

在1050度高温段维持150s后，再次通入TMGa和NH₃并维持35s；然后停止通入TMGa和NH₃，继续在高温段处理250s；

然后，逐渐降温至缓冲层的生长温度530度，开始持续通入NH₃，并在120s后再通入TMGa进行生长150s；然后停止通入TMGa并开始升温到1020度，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

5.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，该外延生长方法是基于图形化的蓝宝石衬底进行：

在反应室内，从室温开始升温到1060度，升温速度为1.6度/秒，在温度到达520度时，通入TMGa和NH₃进行外延生长，当温度达到600度时关闭TMGa和NH₃；然后继续升温至高温段1060度；

在1050度高温段维持150s后，再次通入TMGa和NH₃并维持45s；然后停止通入TMGa和NH₃，继续在高温段处理275s；

然后，逐渐降温至缓冲层的生长温度530度，开始持续通入NH₃，并在120s后再通入TMGa进行生长150s；然后停止通入TMGa并开始升温到1020度，再次达到高温段对已生长的GaN层进行处理。

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