專利名稱：一種氮化鎵系半導(dǎo)體發(fā)光器件外延片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵系半導(dǎo)體發(fā)光器件的外延制作方法，屬于半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體發(fā)光以及照明等領(lǐng)域，以氮化鎵及其他III族氮化物為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸成為研究的熱門材料[F. A. Ponce&D. P. bour,Nature Vol 386,351 (1997)],由氮化鎵系半導(dǎo)體材料制作的LED藍(lán)綠光發(fā)光二極管已經(jīng)成功研制和應(yīng)用，并以其高效，長壽命，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注，應(yīng)用在諸如室外全彩大屏顯示，LED路燈，汽車日間行車燈，交通指示燈等方面。另外室溫下壽命超過1000小時(shí)的2mw短波段氮化鎵系半導(dǎo)體激光器也已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功，理論壽命估計(jì)可達(dá)10000小時(shí)以上[Shuji Nakamura, et al. , Jpn. J. Appl.Phys. Vol. 36，L1568-L1571 (1997)]，這意味著在未來的發(fā)展中，寬禁帶半導(dǎo)體材料制作的·發(fā)光器件可以應(yīng)用于激光打印機(jī)，大容量信息存儲，水下通訊等方面，其前景十分廣闊。雖然氮化鎵系藍(lán)綠光LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是成本和技術(shù)上，仍然存在一些需要解決的問題。如異質(zhì)外延的晶體質(zhì)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。由于材料本身性質(zhì)以及異質(zhì)外延晶格失配等原因，有源區(qū)中極化效應(yīng)十分明顯[Fabio Bernardini, Vincenzo Fiorentini,PHYSICAL REVIEW B Vol 57 R9427 (1998)]，產(chǎn)生例如量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)等問題[Jin Seo Im, et al. , PHYSICAL REVIEW B Vol 57，R9435 (1998)]。另外氮化鎵系材料折射率高于通常使用的襯底或芯片封裝材料，這導(dǎo)致器件的光提取比較困難。以上這些問題的存在，使器件性能惡化，壽命縮短，發(fā)光效率降低，光提取效率低等，制約了氮化鎵系材料的快速發(fā)展和應(yīng)用。氮化鎵是典型的III族氮化物材料，自然界中很難找到氮化鎵晶體，又由于其本身的材料特性，無法利用傳統(tǒng)拉單晶等工藝來制作大面積的氮化鎵晶圓襯底。目前制作氮化鎵系發(fā)光器件，是通過在A1203、SiC、Si等異質(zhì)襯底上，采用MOCVD、MBE或HVPE等手段外延氮化鎵系材料來實(shí)現(xiàn)加工。通過異質(zhì)外延生長出來的氮化鎵系材料，由于其與襯底之間晶格常數(shù)有差別，熱膨脹系數(shù)不一致等原因，在外延層中會存在大量的殘余應(yīng)力和晶體缺陷，這會使晶體質(zhì)量下降，晶體內(nèi)部會存在大量的位錯(cuò)。雖然有研究發(fā)現(xiàn)在襯底上外延氮化鎵系材料之前先生長一層緩沖層以釋放晶格應(yīng)力[Shuji Nakamura et al. ,Jpn. J. ofAppl. physics, 30, L1705 (1991)],但是這種方法仍然無法徹底補(bǔ)償晶格失配問題,外延層中仍然存在大量的缺陷。在降低晶體缺陷的研究中側(cè)向外延技術(shù)(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO)被廣為關(guān)注[Akira Sakaia, et al. , Appl. Phys. Lett. 71,2259 (1997), Tsvetanka S,et al.，Appl. Phys. Lett. 71，2472 (1997)]，通過這種技術(shù)，室溫下持續(xù)工作超過1000小時(shí)的2mW短波段氮化鎵系半導(dǎo)體激光器已經(jīng)被展示出來[Shuji Nakamura,et al. ,Appl.Phys. Lett. 72,211 (1997)]。在此基礎(chǔ)上，人們又發(fā)展了一階側(cè)向外延技術(shù)[1S-EL0，F(xiàn).Bertram, et al. ,Appl. Phys. Lett. 74,359 (1999)],懸空外延技術(shù)[Pendeo-Epitaxy,T. S. Zheleva, et al.，Appl. phys. lett. 74, 2492 (1999) ]，二階側(cè)向外延技術(shù)[2S-EL0,Zhonghai Yu, et al. , MRS Interner J. Nitride Semicond. Res. 4S1. G4. 3 (1999)]等方法。但是這些方法都有自己不足的地方，例如，外延層產(chǎn)生傾斜，多次外延會出現(xiàn)表面沾污等問題。在進(jìn)一步的研究中，在側(cè)向外延的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了圖形化襯底技術(shù)[T. V. Cuong,et Al. ,Appl. Phys. Lett. 90，131107 (2007)]，這種技術(shù)改善了二次外延出現(xiàn)的一些問題，并提高了器件的光提取效率。在傳統(tǒng)工藝中，在圖形化襯底表面進(jìn)行外延時(shí)，都是采用加快側(cè)向外延速率，使得外延層表面盡量平整，并進(jìn)行其他器件結(jié)構(gòu)的生長。氮化鎵系材料是極性半導(dǎo)體材料，晶體在特定的方向上(如
方向)體現(xiàn)出自發(fā)極化。另外為了制作多量子阱結(jié)構(gòu)，組成有源區(qū)的外延層都是異質(zhì)外延產(chǎn)生的薄膜，由于異質(zhì)外延會產(chǎn)生晶格不匹配等問題，造成薄膜受到應(yīng)力作用并使有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)的壓電電場[Fabio Bernardini, Vincenzo Fiorentini，PHYSICAL REVIEW B , Vol 57，R9427(1998)]。壓電電場和自發(fā)極化電場的存在使器件的光電性能受到不良影響[如量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)]。改良的技術(shù)包括非極性面或半極性面襯底外延技術(shù)等[PhilippeVennegues, et al. , JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 108，113521 (2010)]?！さ壍恼凵渎时人{(lán)寶石襯底的折射率要高，因此只有少部分光可以從氮化鎵與襯底藍(lán)寶石襯底交界面發(fā)射出去，而器件的正表面封裝后與樹脂接觸，多數(shù)封裝樹脂材料折射率比氮化鎵要低，因此，光線很容易由于全反射等原因被反射回來，在襯底界面與電極之間來回反射，直到被氮化鎵材料吸收掉[Motokazu YAMADA,et al. ,Jpn. J. Appl. Phys.Vol. 41,L 1431-L 1433 (2002)]，因而發(fā)光器件的光提取效率很低。附圖I所示即為現(xiàn)有技術(shù)中一種圖形化外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，包括襯底101、圖形層102、覆蓋層103、N型GaN層104、有源層105、P型GaN層106以及結(jié)構(gòu)層107，顯然，所述結(jié)構(gòu)層107的表面是平坦的，故光線很容易由于全反射等原因在這一層被反射回來，直到被N型GaN層104、有源層105以及P型GaN層106等吸收掉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鎵系半導(dǎo)體發(fā)光器件外延片的制作方法，通過采取這種方法，可以提聞外延結(jié)構(gòu)與襯底交界面處的光提取效率，提聞芯片表面的光提取效率，降低外延層中的位錯(cuò)密度，減弱有源區(qū)中極化效應(yīng)，提高器件發(fā)光效率。為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟在圖形化襯底表面低溫生長成核層；對成核層實(shí)施高溫退火，使其轉(zhuǎn)變成顆粒狀晶核，從而形成凹凸不平的表面；在帶有顆粒狀晶核的圖形化襯底表面依次生長非摻雜GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層以及P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，從而形成具有凹凸不平表面的LED有源層結(jié)構(gòu)繼續(xù)采用與前一步驟相同的工藝生長表面結(jié)構(gòu)層，從而獲得呈現(xiàn)有凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明利用圖形襯底上GaN基材料生長技術(shù)中側(cè)向和縱向生長速率可控的特點(diǎn)，在生長初期，外延材料首先在圖形襯底的勢能最低點(diǎn)處，即圖形襯底的突出形狀的周圍或凹陷處成核生長，其成核層在完成500°C飛50°C低溫生長以后，進(jìn)行900°C 1100°C高溫退火處理，經(jīng)退火后在襯底表面形成大量的顆粒狀晶核，這些晶核是具有弱極性面的GaN外延層。由于側(cè)向和縱向的生長速率比可以通過反應(yīng)室的生長條件來控制，通過控制生長條件生長溫度，生長壓力，和V/III比等參數(shù)來控制晶核的縱向生長速率(垂直于外延襯底平面)高于橫向生長速率(平行于外延襯底平面)，當(dāng)相鄰顆粒狀晶核側(cè)向外延部分兩兩相結(jié)合時(shí)，使得外延生長面上形成有顯示出氮化鎵系半導(dǎo)體晶體不同晶面的凹凸不平的島狀結(jié)構(gòu)，即形成非平面的，凹凸不平的GaN外延層，然后在此凹凸不平的結(jié)構(gòu)上繼續(xù)生長其它結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)在圖形化襯底表面從下至上依次包括成核層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層、P型AlGaN層、P型GaN層以及表面結(jié)構(gòu)層?？蛇x的，所述的圖形化襯底，可以由A1203、SiC、Si、GaAs, LiAlO2, MgAl2O4,ScMgAlO4^ZnO以及適合于氮化鎵系半導(dǎo)體材料外延生長的襯底加工制作而成。圖形化襯底其圖形結(jié)構(gòu)可以是規(guī)則排列的周期條形突出形狀，周期條形凹陷形狀，周期的球形凹陷結(jié)構(gòu)，周期的球形突出結(jié)構(gòu)，或是金字塔形結(jié)構(gòu)，襯底表面可以是晶體的極性面也可以是晶體 的非極性面或半極性面?？蛇x的，所述的成核層材料為AlxInyGai_x_yN，其中O彡X彡1，0彡Y彡I。成核層低溫生長厚度為15nnTl00nm之間，且表面平整，高溫處理后，表面連續(xù)的成核層變?yōu)榇罅康膷u狀顆粒晶核，島直徑約為150nnT500nm之間，高度約為60nnT500nm之間,排列于圖形襯底突出形狀的周邊或圖形襯底凹陷形狀的凹陷處?？蛇x的，所述的有源層采用3 10個(gè)周期的InGaN/GaN多量子阱，制作在由襯底表面島狀顆粒結(jié)構(gòu)“復(fù)制”上來的具有凹凸不平表面的N型GaN層上面?？蛇x的，所述的P型摻雜劑選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一種,所述N型摻雜劑選自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一種。本發(fā)明采用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(LP-MOCVD)設(shè)備，利用高純H2和N2作為載氣，進(jìn)行LED外延片的制備。傳統(tǒng)氮化鎵系發(fā)光器件在完成成核層結(jié)構(gòu)后，都會加快橫向外延速率，使晶核顆粒盡快橫向生長并融合在一起，獲得平整的氮化鎵表面，并在此表面上繼續(xù)生長其他結(jié)構(gòu)(如現(xiàn)有技術(shù)中的附圖I所示)。與傳統(tǒng)外延工藝以及傳統(tǒng)圖形化襯底外延工藝不同，本發(fā)明首先在圖形化襯底表面制作島狀成核層，然后通過控制外延生長條件，使成核層內(nèi)島狀晶核不同裸露面的生長速率不同，經(jīng)高溫退火后形成大小不一的顆粒狀晶核，接著，控制生長條件，使縱向生長速率(垂直于外延襯底平面的方向)高于橫向生長速率，從而在生長平面上形成凹凸不平的外延表面，并在此界面上完成后續(xù)外延結(jié)構(gòu)。通過這種方法，能夠使得襯底上這些凹凸不平的結(jié)構(gòu)逐層傳遞到外延片表面，使得完成外延后的晶圓表面依然有襯底表面上的這種凹凸不平的結(jié)構(gòu)。與側(cè)向外延技術(shù)或圖形化襯底外延技術(shù)類似，這種結(jié)構(gòu)可以降低位錯(cuò)密度。而且由于是控制晶體不同表面的生長速率，因而得到的凹凸不平的生長表面實(shí)際上是晶體不同晶面的體現(xiàn)，其局部平整度良好，并且這些晶面一般是非極性面或半極性面，在這些非極性或半極性的氮化鎵系材料表面生長的有源區(qū)多層材料其極化效應(yīng)對器件特性的不良影響將明顯減弱，與傳統(tǒng)平整的有源區(qū)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的有源區(qū)生長在凹凸不平的N型氮化鎵上，使有源區(qū)總的發(fā)光面積增加，出光角度更加隨機(jī)。另外襯底表面上的這些凹凸不平島狀顆粒從尺寸、外觀和分布位置等方面都具有隨機(jī)性，這使得這一界面的光提取效率大大增加，芯片表面同時(shí)形成的凹凸結(jié)構(gòu)也提高了正面的光提取效率。與傳統(tǒng)的LED器件襯底結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是有效地提高半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率和光提取效率，降低位錯(cuò)密度，進(jìn)而提高了器件的光電性能。


附圖I為現(xiàn)有技術(shù)中一種圖形化外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2為本發(fā)明所述方法的工藝示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的一種氮化鎵系半導(dǎo)體發(fā)光器件外延片的制作方法·的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明。為了使制作過程更易于理解，實(shí)施例中將采用以MOCVD制作藍(lán)綠氮化鎵(GaN)系LED為例進(jìn)行說明，但本發(fā)明結(jié)構(gòu)并非僅可以使用在藍(lán)綠光LED的制作中。實(shí)例中以藍(lán)寶石圖形化襯底(C-Plane)為基底進(jìn)行外延加工，外延結(jié)構(gòu)的側(cè)剖面圖如說明書附圖2所示。此外，為制作本發(fā)明進(jìn)行的外延生長設(shè)備，并非僅可采用M0CVD，也可以使用MBE，HVPE等外延設(shè)備。實(shí)施方案中，僅重點(diǎn)描述發(fā)明的特征部分，其他附屬結(jié)構(gòu)或加工步驟常規(guī)描述是為使讀者能夠更詳細(xì)的了解發(fā)明特征而進(jìn)行，以便說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)制作的可行性，采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征，使用其他附屬結(jié)構(gòu)或加工步驟而制作的器件仍然屬于所述權(quán)利要求之內(nèi)。附圖2所示為本發(fā)明所述方法的工藝示意圖，本發(fā)明所述的一種氮化鎵系半導(dǎo)體發(fā)光器件外延片的制作方法具體步驟如下
將圖形化的藍(lán)寶石襯底201置于MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，首先將反應(yīng)室升溫至600°C 1100 °c范圍內(nèi)，通入氨氣、氫氣和娃燒中的至少一種氣體，對襯底表面進(jìn)行處理。反應(yīng)室降溫至550°C 560°C范圍內(nèi)，優(yōu)選560°C，通入TMGa和氨氣，TMGa流量控制在20sccm-30sccm,氨氣流量控制在2000sccm-2500sccm,反應(yīng)壓強(qiáng)控制在300Torr左右，生長60秒至120秒，得到20 30nm厚的緩沖層。在900 1100°C下，高溫退火處理,得到大量顆粒狀晶核202。將反應(yīng)室溫度提升至1000°C 1150°C之間，以氫氣為載氣的條件下，保持氨氣流量約為 O. 13mol/min O. 15mol/min, TMG 流量控制為 98 μ mol/min 105 μ mol/min,使反應(yīng)室內(nèi)V /III的值約為1350，反應(yīng)室內(nèi)的壓強(qiáng)控制在300Torr，生長2μπι厚的非摻雜GaN層203，然后反應(yīng)室增加通入Si源，再生長2 μ m厚的N型摻雜GaN層207。通過以上的條件，可以控制晶核的縱向生長速率(垂直于外延襯底平面)高于橫向生長速率(平行于外延襯底平面)。這樣外延生長面上會體現(xiàn)出GaN晶體的{1-101}、{11-22}等特定晶面，宏觀上呈現(xiàn)出凹凸不平的島狀結(jié)構(gòu)。反應(yīng)室降溫至650 900°C范圍內(nèi)，優(yōu)選760 850°C，生長5周期的InxGa^xN(0〈X〈1) /GaN多量子阱結(jié)構(gòu)204，作為有源區(qū)。完成后，將反應(yīng)室溫度升至1040 1080°C生長P型AlGaN層，生長厚度范圍為15 25nm，生長時(shí)反應(yīng)室通入Ga源、N源、Al源、Mg源。反應(yīng)室內(nèi)通入Ga源、N源、Mg源繼續(xù)生長P型摻雜GaN材料，生長厚度為0.01 I μ m,優(yōu)選厚度為O. I O. 3 μ m，形成P型AlGaN層和P型摻雜GaN材料共同構(gòu)成的復(fù)合層205。以上N型摻雜GaN層207、多量子阱結(jié)構(gòu)204以及復(fù)合層205的生長工藝都能保持原有的凹凸不平的表面形貌。最后，根據(jù)器件使用要求，在P型GaN表面生長歐姆接觸優(yōu)化層、光提取層或抗靜電層等透明導(dǎo)電結(jié)構(gòu)206，這些結(jié)構(gòu)可以采用300ΤΟΠ·左右的反應(yīng)壓強(qiáng)，V /III的值約為1350，外延生長時(shí)間120s-180s，通過這些參數(shù)的調(diào)整，可以保持晶圓表面凹凸不平的形貌。完成生長后，可在反應(yīng)室內(nèi)或反應(yīng)室外氮?dú)夥諊?00 750°C退火20 25min激活摻雜劑。至此完成外延片的生長，后續(xù)將外延片加工為LED芯片的工序不再贅述。以上外延片制備過程中，MOCVD生長氮化鎵系半導(dǎo)體晶體的材料源分別為=TMGa提供Ga源，TMIn提供In源，TMAl提供Al源，氨氣提供N源，CP2Mg提供P型摻雜劑Mg源，娃燒提供N型摻雜劑Si源,運(yùn)載氣體為氫氣或氮?dú)庵械闹辽僖环N。
·
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵系半導(dǎo)體發(fā)光器件外延片的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 在圖形化襯底表面低溫生長成核層； 對成核層實(shí)施高溫退火，使其轉(zhuǎn)變成顆粒狀晶核，從而形成凹凸不平的表面； 在帶有顆粒狀晶核的圖形化襯底表面依次生長非摻雜GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層以及P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，從而形成具有凹凸不平表面的LED有源層結(jié)構(gòu) 繼續(xù)采用與前一步驟相同的工藝生長表面結(jié)構(gòu)層，從而獲得呈現(xiàn)有凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述成核層的厚度范圍是15 lOOnm，且表面連續(xù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的成核層材料為AlxInyGa^yN,其中O≤X ≤1,0 ≤Y ≤I0
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，顆粒狀晶核的島直徑約為150nnT500nm之間，高度約為60nnT300nm之間，排列于圖形襯底突出形狀的周邊或圖形襯底凹陷形狀的凹陷處。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述圖形化襯底可以由A1203、GaN,SiC、Si、GaAs, LiAlO2, MgAl2O4, ScMgAlO4、或ZnO加工制作而成；圖形化襯底的圖形結(jié)構(gòu)可以是周期條形突出形狀，周期條形凹陷形狀，周期的球形凹陷結(jié)構(gòu)，周期的球形突出結(jié)構(gòu)，或是金字塔形結(jié)構(gòu)，襯底表面可以是晶體的極性面也可以是晶體的非極性面或半極性面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的P型摻雜劑選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一種，所述N型摻雜劑選自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種氮化鎵系半導(dǎo)體發(fā)光器件的外延制作方法，包括如下步驟在圖形化襯底表面低溫生長成核層；對成核層實(shí)施高溫退火，使其轉(zhuǎn)變成顆粒狀晶核，從而形成凹凸不平的表面；在帶有顆粒狀晶核的圖形化襯底表面依次生長非摻雜GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層以及P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，從而形成具有凹凸不平表面的LED有源層結(jié)構(gòu)繼續(xù)采用與前一步驟相同的工藝生長表面結(jié)構(gòu)層，從而獲得呈現(xiàn)有凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)層。與傳統(tǒng)的LED器件襯底結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是有效地提高半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效率和光提取效率，降低位錯(cuò)密度，進(jìn)而提高了器件的光電性能。
文檔編號H01L33/00GK102842659SQ201210293710
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者徐琦 申請人:馬鞍山圓融光電科技有限公司