專利名稱：在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長氮化物外延膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長高質(zhì)量氮化物外延膜的方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)基LED作為固態(tài)光源一經(jīng)出現(xiàn)便以其高效、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為繼愛迪生發(fā)明電燈后人類照明歷史上的第二次革命，成為國際上半導(dǎo)體和照明領(lǐng)域研發(fā)和產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。但目前GaN基LED進(jìn)入通用照明領(lǐng)域，在技術(shù)和成本是還面臨諸多難題。目前藍(lán)寶石襯底是商業(yè)上氮化物異質(zhì)外延生長最為常用的襯底之一。采用圖形化藍(lán)寶石襯底可以增加光在LED內(nèi)部的全反射，進(jìn)而提高LED的光提取效率。相比于普通的藍(lán)寶石平面襯底，在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長氮化物基藍(lán)光LED輸出功率可以提高 309Γ100%。目前商業(yè)上用的高亮度氮化物基藍(lán)光LED外延片大部分是在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長取得的。采用圖形間距窄的圖形襯底，例如圖形間距為Ιμπι，其獲得的輸出功率最高。但是在這種窄間距圖形襯底上外延生長氮化物，其生長窗口小，對(duì)溫度波動(dòng)敏感，在商業(yè)化生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)由于MOCVD系統(tǒng)溫度波動(dòng)造成外延膜表面毛糙等一系列問題。 因此在藍(lán)寶石圖形襯底上獲得具有表面為鏡面、生長窗口寬的高質(zhì)量氮化物外延膜存在困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高質(zhì)量的在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長氮化物外延膜的方法。本發(fā)明技術(shù)方案包括以下步驟
1)在藍(lán)寶石圖形襯底上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法生長一低溫緩沖層， 所述生長溫度為400°C 600°C，厚度為5nm IOOnm ；
2)升溫到950°C 1100°C條件下再結(jié)晶，在藍(lán)寶石襯底上形成籽晶；
3)在( 和N的摩爾比為500 1200 1、生長溫度為900°C 1020°C、壓力為300 600mbar的條件下，生長500s 2000s ；可使得GaN處于島狀生長模式，進(jìn)行充分的三維生長，并沒過圖形頂部；
4)在( 和N的摩爾比為1000 2000 1、生長溫度為1020°C 1070°C、壓力為100 500mbar的條件下，生長IOOs 4000s?？墒沟肎aN生長模式從島狀生長模式轉(zhuǎn)向二維生長模式，讓GaN在圖形襯底頂部閉合，形成連續(xù)的GaN外延膜。本發(fā)明首先通過控制生長條件(溫度、壓力、( 和N的摩爾比以及生長時(shí)間)，一開始進(jìn)行以縱向生長為主的三維生長并使GaN沒過圖形頂部；然后優(yōu)化生長條件，使得三維生長模式轉(zhuǎn)換二維生長模式，讓GaN在圖形頂部充分閉合，以獲得高質(zhì)量的氮化物外延膜。 此方法充分利用圖形襯底的特點(diǎn)，原理類似于橫向外延(EL0G)，在控制由三維生長模式轉(zhuǎn)向二維生長模式時(shí)，可以使得大部分位錯(cuò)轉(zhuǎn)向，降低位錯(cuò)密度；同時(shí)通過控制閉合速度，充分釋放由GaN和藍(lán)寶石晶格失配引起的應(yīng)力，以提高晶體質(zhì)量；通過優(yōu)化三維生長條件，控制三維生長后的形貌，可以拓寬GaN生長窗口。因此采用此方法獲得的氮化物外延膜具有位錯(cuò)密度低，表面為鏡面，XRD半寬低以及生長窗口寬等特點(diǎn)，特別適合在商業(yè)上采用，具有很高實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明采用兩步生長工藝，通過優(yōu)化生長條件，控制GaN在藍(lán)寶石圖形襯底上三維生長然后轉(zhuǎn)向二維生長，以獲得高質(zhì)量的氮化物外延膜。本發(fā)明充分利用藍(lán)寶石圖形襯底的特點(diǎn)，獲得的氮化物外延膜具有位錯(cuò)密度低，表面為鏡面，XRD半寬低等特點(diǎn)。而且采用這種方法進(jìn)行氮化物外延，生長窗口寬，適用于高質(zhì)量氮化物外延膜商業(yè)化生長。另，本發(fā)明藍(lán)寶石圖形襯底的圖形規(guī)格直徑為1. 5 μ m 3 μ m，間距為0. 5 μ m 1. 5 μ m，高度為 Iym 2μπι。優(yōu)選的藍(lán)寶石圖形襯底的圖形規(guī)格直徑為2 μ m,間距為1 μ m，高度為1 μ m。


圖1是藍(lán)寶石圖形襯底的剖面示意圖。圖2是在藍(lán)寶石圖形襯底生長低溫緩沖層剖面示意圖。圖3是在藍(lán)寶石圖形襯底生長低溫緩沖層經(jīng)過在結(jié)晶后形成籽晶剖面示意圖。圖4是GaN在藍(lán)寶石圖形襯底經(jīng)過第一步島狀生長形成的剖面示意圖。圖5是GaN在藍(lán)寶石圖形襯底閉合形成的連續(xù)外延薄膜的剖面示意圖。1為藍(lán)寶石襯底圖形，5為連續(xù)GaN外延膜。具體實(shí)施案例
利用MOCVD設(shè)備(Aixtron公司的Crius 31片商用機(jī))，采用直徑D為2 μ m、圖形間距 S為Ιμπκ圖形高度H為Ιμπι藍(lán)寶石圖形襯底1，如圖1所示。首先生長一 GaN低溫緩沖層，生長溫度為530°C，最后在藍(lán)寶石圖形襯底1 一側(cè)形成厚度為30nm的低溫緩沖層2。如圖2所示。然后升高溫度到1030°C進(jìn)行再結(jié)晶，在藍(lán)寶石圖形襯底上成核。如圖3所示，在藍(lán)寶石襯底1上形成籽晶3。降低溫度到990°C，控制( 和N的摩爾比為675 1，生長時(shí)間為1000s，使GaN進(jìn)行充分的島狀生長形在外延形貌4，并沒過藍(lán)寶石襯底1的圖形頂部，其形貌如圖4所示。接著升高溫度到1040°C，控制( 和N的摩爾比為1200 1。此時(shí)GaN處于二維生長模式，以橫向生長為主，并在藍(lán)寶石襯底1頂部閉合，形成連續(xù)的GaN外延膜5，如圖5 所示。得到的GaN外延膜表面為鏡面，沒有微坑，XRD測(cè)量得到的(002)和(102)半寬均小于300arcsec，說明晶體質(zhì)量好。通過上下調(diào)整生長溫度進(jìn)行生長窗口測(cè)試，三維生長以及二維生長溫度同時(shí)升高20°C以及同時(shí)降低20°C，其他生長參數(shù)不變，均能夠獲得高質(zhì)量的GaN外延膜，證明采用本方法外延生長GaN外延膜具有很寬的生長窗口，溫度窗口大于 40 "C。上述實(shí)施案例描述了一種在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長氮化物外延膜的方法。此方法充分利用藍(lán)寶石圖形的特點(diǎn)，控制GaN在藍(lán)寶石圖形上三維生長以及二維生長，降低位錯(cuò)，釋放應(yīng)力。而且該方法克服了常規(guī)生長工藝在藍(lán)寶石圖形上外延GaN生長溫度窗口窄的特點(diǎn)，非常適用于商業(yè)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長氮化物外延膜的方法，其特征在于包括以下步驟1)在藍(lán)寶石圖形襯底上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法生長一低溫緩沖層， 所述生長溫度為400°C 600°C，厚度為5nm IOOnm ；2)升溫到950°C 1100°C條件下再結(jié)晶，在藍(lán)寶石襯底上形成籽晶；3)在( 和N的摩爾比為500 1200 1、生長溫度為900°C 1020°C、壓力為300 600mbar的條件下，生長500s 2000s ；4)在( 和N的摩爾比為1000 2000 1、生長溫度為1020°C 1070°C、壓力為100 500mbar的條件下，生長IOOs 4000s。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述藍(lán)寶石圖形襯底的圖形規(guī)格直徑為 1. 5 μ m 3 μ m,間距為 0. 5μπι~ Ι.δμπι ,高度為 1 μ m 2 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述藍(lán)寶石圖形襯底的圖形規(guī)格直徑為 2 μ m, 11 μ m ，M&^J 1 μ m。
全文摘要
一種在藍(lán)寶石圖形襯底上外延生長高質(zhì)量氮化物外延膜的方法，利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法，采用兩步生長工藝，通過優(yōu)化生長條件，首先控制GaN在藍(lán)寶石圖形襯底上進(jìn)行合適三維生長，然后轉(zhuǎn)換為二維生長，以獲取高質(zhì)量的氮化物外延膜。此方法充分利用藍(lán)寶石圖形襯底的特點(diǎn)，獲得的氮化物外延膜具有位錯(cuò)密度低，表面為鏡面，XRD半寬低等特點(diǎn)。而且采用這種方法進(jìn)行氮化物外延，生長窗口寬，適用于高質(zhì)量氮化物外延膜商業(yè)化生長。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102394261SQ201110365010
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者李志聰, 李璟, 李盼盼, 李鴻漸, 王國宏 申請(qǐng)人:揚(yáng)州中科半導(dǎo)體照明有限公司