一種提高材料晶體質(zhì)量的外延生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的外延生長方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，能夠大幅度穩(wěn)定提高外延材料晶體質(zhì)量和提升發(fā)光材料和器件的效率。該外延生長方法的特別之處在于，其前期生長過程先進(jìn)行兩次短暫生長，主要包括以下環(huán)節(jié)：（1）在反應(yīng)室內(nèi)，在400度至900度升溫過程中，通入TMGa和NH3，進(jìn)行外延生長一段時間，然后停止通入TMGa和NH3，繼續(xù)升溫至高溫段；（2）在高溫段維持10-300s后，再次通入TMGa和NH3并維持10-200s；然后停止通入，繼續(xù)在高溫段處理10-500s。按照本發(fā)明的方法進(jìn)行外延生長，有利于處理掉襯底固有的機(jī)械損傷和形成初期的成核中心，而在后續(xù)的外延生長過程中更加有利于成核和外延的繼續(xù)，對于材料的晶體質(zhì)量提高起到了明顯的效果。
【專利說明】一種提高材料晶體質(zhì)量的外延生長方法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明屬于光電器件材料制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及一種用于提高外延材料晶體質(zhì)量的方法?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]LED外延片是指在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石、SiC、Si等)上所生長出的特定單晶薄膜。外延片處于LED產(chǎn)業(yè)鏈中的上游環(huán)節(jié)，是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量最高、對最終產(chǎn)品品質(zhì)、成本控制影響最大的環(huán)節(jié)。[0003]LED外延片生長的基本原理是:在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石和SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)有控制地輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。[0004]目前LED外延片生長技術(shù)主要米用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法。GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，其可逆的反應(yīng)方程式為:[0005]Ga+NH3=GaN+3/2H2[0006]生長GaN需要一定的生長溫度，所以還需要一定的NH3分壓。[0007]傳統(tǒng)的外延生長工藝中，一般均采用先對襯底材料進(jìn)行高溫的處理，之后降到低溫生長一層低溫的緩沖層之后對于緩沖層進(jìn)行高溫退火處理，再在合適的溫度繼續(xù)生長非摻的緩沖層，之后依次生長N型層，量子阱層，P型層和接觸層。[0008]具體的前期生長過程，主要包括以下環(huán)節(jié):[0009]( I)在反應(yīng)室內(nèi)，持續(xù)升溫至高溫段；[0010](2)在高溫段維持20-800S ；[0011](3 )然后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度，開始持續(xù)通入NH3,并在50-300S后再通 ATMGa進(jìn)行生長120-250S ;然后停止通入TMGa并開始升溫，再次達(dá)到高溫段對已生長的 GaN層進(jìn)行處理。[0012]傳統(tǒng)的外延工藝的外延層生長窗口很窄，各層材料生長的工藝條件需要嚴(yán)苛的控制才能生長出晶體質(zhì)量較好的外延層。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]本發(fā)明基于目前發(fā)光器件材料生長和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種改進(jìn)的外延生長方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，能夠大幅度穩(wěn)定提高外延材料晶體質(zhì)量和提升發(fā)光材料和器件的效率。[0014]本發(fā)明的方案如下:[0015]一種提高材料晶體質(zhì)量的外延生長方法，其特點(diǎn)是，前期生長過程主要包括以下環(huán)節(jié):[0016](I)在反應(yīng)室內(nèi)，在400度至900度升溫過程中，通入TMGa和NH3,進(jìn)行外延生長一段時間，然后停止通入TMGa(三甲基鎵)和NH3,繼續(xù)升溫至高溫段。在這里，并非`要求自400 度開始即通入氣體直至900度，而是強(qiáng)調(diào)先在該升溫區(qū)間中(的任意時段)，進(jìn)行一次“通入 TMGa 和 NH3”。[0017](2)在高溫段維持10-300s后，再次通入TMGa和NH3并維持10-200s ;然后停止通入，繼續(xù)在高溫段處理10-500S。[0018](3)然后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度，開始持續(xù)通入NH3,并在50-300S后再通 ATMGa進(jìn)行生長120-250S ;然后停止通入TMGa并開始升溫，再次達(dá)到高溫段對已生長的 GaN層進(jìn)行處理。[0019]上述第(3)環(huán)節(jié)，實(shí)際上與傳統(tǒng)方案在相應(yīng)溫度階段的工藝相同，并且在之后，也仍然可以按照傳統(tǒng)方案依次完成后續(xù)的外延生長3D和UGaN等環(huán)節(jié)，最終制得外延片。[0020]基于上述基本方案，本發(fā)明還進(jìn)一步做如下優(yōu)化限定和改進(jìn):[0021]為了得到良好的晶體質(zhì)量和加大外延工藝窗口，以上的步驟(1)- (3)可重復(fù)1-10 次，對于晶體質(zhì)量的提高效果更佳，但是會增加額外的工藝時間；因此優(yōu)選2-3次。[0022]第(I)環(huán)節(jié)中，通入TMGa和NH3的最佳溫度區(qū)間為450-850度，持續(xù)時間分別為 30-150 秒；[0023]第(2)環(huán)節(jié)中，通入TMGa和NH3的最佳溫度區(qū)間為1020-1090度，持續(xù)時間分別為 25-75 秒。[0024]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):[0025]按照本發(fā)明的方案，在原有的緩沖層生長之前已經(jīng)分別在低溫段和高溫段進(jìn)行了 2次的短暫外延生長，如此有利于處理掉襯底固有的機(jī)械損傷和形成初期的成核中心，而在后續(xù)的外延生長過程中更加有利于成核和外延的繼續(xù)，對于材料的晶體質(zhì)量提高起到了明顯的效果。[0026]本發(fā)明通過對緩沖層生長之前的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化改善，擴(kuò)寬了外延生長的工藝窗口，在不增加額外工藝步驟和時間的條件下，大幅度提升了不同襯底材料外延生長的晶體質(zhì)量，對襯底選擇和工藝溫度的選擇余度明顯變大。對于大批量產(chǎn)的工藝和襯底材料選擇提供了良好的生長基礎(chǔ)，滿足了當(dāng)前大規(guī)模生產(chǎn)的需要，可以通過此技術(shù)得到高品質(zhì)的外延材料，進(jìn)而提升材料的器件效率?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0027]圖1為傳統(tǒng)外延生長方法的示意圖。[0028]圖2為本發(fā)明的原理示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0029]本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于前期生長過程中，先進(jìn)行兩次的短暫外延生長，即在上升到高溫處理的過程中打開TMGa和NH3進(jìn)行外延生長一段時間后關(guān)閉，在高溫處理階段進(jìn)行一段時間后再次打開TMGa和NH3進(jìn)行外延生長一段時間后關(guān)閉，之后保持高溫處理一段時間后繼續(xù)后續(xù)的緩沖層，3D層和UGaN層生長即可。[0030]本發(fā)明的方案能夠適用于現(xiàn)有的各種不同的藍(lán)寶石襯底材料，以下給出幾個具體實(shí)施例以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。[0031]當(dāng)然，本發(fā)明的方案思路也可以用在其他襯底材料如硅襯底，碳化硅襯底等的外延生長上，在傳統(tǒng)的緩沖層生長之前進(jìn)行兩次或以上不同溫度的外延生長并進(jìn)行后續(xù)的高溫處理后再繼續(xù)傳統(tǒng)工藝生長的思路均屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。[0032]實(shí)施例一
[0033]使用藍(lán)寶石平面襯底進(jìn)行對比試驗(yàn)。
[0034]首先使用傳統(tǒng)的LED工藝進(jìn)行外延生長，即:
[0035]在反應(yīng)室內(nèi)，從室溫開始升溫到1050度，升溫速度為1.5度/秒，在1050度高溫段維持435s后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度530度，開始持續(xù)通入NH3,并在120s后再通入TMGa進(jìn)行生長150s ;然后停止通入TMGa并開始升溫到1020度，再次達(dá)到高溫段對已生長的GaN層進(jìn)行處理。
[0036]之后繼續(xù)生長后續(xù)的3D、U GaN, N GaN, MQW、P GaN等LED功能層即可；生長結(jié)束對于LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行XRD測試，(002) (102)晶面半寬為370arcsec和413arcsec。
[0037]之后，使用相同的襯底和MOCVD機(jī)臺進(jìn)行對比試驗(yàn)。
[0038]在反應(yīng)室內(nèi)，從室溫開始升溫到1050度，升溫速度為1.5度/秒，在溫度到達(dá)500度時，通入TMGa和NH3進(jìn)行外延生長，當(dāng)溫度達(dá)到650度時關(guān)閉TMGa和NH3,通反應(yīng)物TMGa和NH3時間大約IOOs ;然后停止通入TMGa (三甲基鎵)和NH3,繼續(xù)升溫至高溫段1050度；
[0039]在1050度高溫段維持150s后，再次通入TMGa和NH3并維持35s ;然后停止通入反應(yīng)物，繼續(xù)在高溫段處理250s ；
[0040]然后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度530度，開始持續(xù)通入NH3,并在120s后再通入TMGa進(jìn)行生長150s ;然后停止通入TMGa并開始升溫到1020度，再次達(dá)到高溫段對已生長的GaN層進(jìn)行處理。
[0041]之后繼續(xù)生長后續(xù)的`3D、U GaN, N GaN, MQW、P GaN等LED功能層即可；生長結(jié)束對于LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行XRD測試，(002) (102)晶面半寬為230arcsec和249arcsec。
[0042]同時對于兩種條件下生長LED的結(jié)構(gòu)進(jìn)行光電性能測試，試驗(yàn)優(yōu)化后LED結(jié)構(gòu)20mA下亮度由50unit提升到了 70unit，提升40% ;同時漏電通過率由原來的75%提升到了95%以上；
[0043]實(shí)施例二
[0044]使用A廠家和B廠家圖形化的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行對比試驗(yàn)。
[0045]首先使用傳統(tǒng)的LED工藝對A廠家和B廠家圖形化的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行外延生長，即:
[0046]在反應(yīng)室內(nèi)，從室溫開始升溫到1050度，升溫速度為1.5度/秒，在1050度高溫段維持435s后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度530度，開始持續(xù)通入NH3,并在120s后再通入TMGa進(jìn)行生長150s ;然后停止通入TMGa并開始升溫到1020度，再次達(dá)到高溫段對已生長的GaN層進(jìn)行處理。
[0047]之后繼續(xù)生長后續(xù)的3D、U GaN, N GaN, MQW、P GaN等LED功能層即可；生長結(jié)束對于LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行XRD測試，A廠家襯底外延的(002) (102)晶面半寬為370arcsec和350arcsec。B廠家襯底外延的(002) (102)晶面半寬為570arcsec和600arcsec,而且B廠家的外延外觀為類多晶狀；
[0048]之后，使用A廠家和B廠家相同的圖形化的藍(lán)寶石襯底和相同的MOCVD機(jī)臺進(jìn)行對比試驗(yàn)。
[0049]在反應(yīng)室內(nèi)，從室溫開始升溫到1060度，升溫速度為1.6度/秒，在溫度到達(dá)520度時，通入TMGa和NH3進(jìn)行外延生長，當(dāng)溫度達(dá)到600度時關(guān)閉TMGa和NH3,通反應(yīng)物TMGa和NH3時間大約50s ;然后停止通入TMGa (三甲基鎵)和NH3,繼續(xù)升溫至高溫段1060度；
[0050]在1050度高溫段維持150s后，再次通入TMGa和NH3并維持45s ;然后停止通入反應(yīng)物，繼續(xù)在高溫段處理275s ；
[0051]然后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度530度，開始持續(xù)通入NH3,并在120s后再通入TMGa進(jìn)行生長150s ;然后停止通入TMGa并開始升溫到1020度，再次達(dá)到高溫段對已生長的GaN層進(jìn)行處理。
[0052]之后繼續(xù)生長后續(xù)的3D、U GaN, N GaN, MQW、P GaN等LED功能層即可；生長結(jié)束對于LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行XRD測試，A廠家襯底外延的(002) (102)晶面半寬為250arcsec和243arcsec。B廠家襯底外延的(002) (102)晶面半寬為249arcsec和237arcsec,外延表面均光滑平整；
[0053]同時對于兩種條件下生長LED的結(jié)構(gòu)進(jìn)行光電性能測試，試驗(yàn)優(yōu)化后LED結(jié)構(gòu)20mA下亮75unit/35unit提升到了 90unit/85unit,分別提升了 20%和140%;同時漏電通過率由來的85%/15%分別提升到了 95%以上；
[0054]從上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明通過在緩沖層之前進(jìn)行工藝優(yōu)化處理，對于不同襯底材料，均能夠在大批量穩(wěn)定生產(chǎn)時仍使晶體材料具備較高的質(zhì)量，并提升了發(fā)光材料和器件的效率。
[0055]通過本方法的處理，可以使GaN材料的晶體質(zhì)量大幅度提高，使用不同襯底材料生長的外延層，(102) (002)晶面半高寬均有由原來500-700arcsec降低到250arcses以下，外延層表面光滑平整無缺陷。
【權(quán)利要求】
1.一種提高材料晶體質(zhì)量的外延生長方法，其特征在于:其前期生長過程主要包括以下環(huán)節(jié):(1)在反應(yīng)室內(nèi)，在400度至900度升溫過程中，通入TMGa和NH3,進(jìn)行外延生長一段時間，然后停止通入TMGa和NH3，繼續(xù)升溫至高溫段；(2)在高溫段維持10-300S后，再次通入TMGa和NH3并維持10-200s;然后停止通入， 繼續(xù)在高溫段處理10-500S ；(3)然后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度，開始持續(xù)通入NH3,并在50-300S后再通入 TMGa進(jìn)行生長120-250S ;然后停止通入TMGa并開始升溫，再次達(dá)到高溫段對已生長的GaN 層進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長方法，其特征在于:該前期生長過程重復(fù)1-10次。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外延生長方法，其特征在于:第(I)環(huán)節(jié)中，通入TMGa和NH3 的溫度區(qū)間為450-850度，持續(xù)時間分別為30-150秒；第(2)環(huán)節(jié)中，通入TMGa和NH3的溫度區(qū)間為1020-1090度，持續(xù)時間分別為25-75秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長方法，其特征在于，該外延生長方法是基于藍(lán)寶石平面襯底進(jìn)行:在反應(yīng)室內(nèi)，從室溫開始升溫到1050度，升溫速度為1.5度/秒，在溫度到達(dá)500度時， 通入TMGa和NH3進(jìn)行外延生長，當(dāng)溫度達(dá)到650度時關(guān)閉TMGa和NH3 ;然后繼續(xù)升溫至高溫段1050度；在1050度高溫段維持150s后，再次通入TMGa和NH3并維持35s ;然后停止通入TMGa 和NH3,繼續(xù)在高溫段處理250s ；然后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度530度，開始持續(xù)通入NH3,并在120s后再通入 TMGa進(jìn)行生長150s ;然后停止通入TMGa并開始升溫到1020度，再次達(dá)到高溫段對已生長的GaN層進(jìn)行處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長方法，其特征在于，該外延生長方法是基于圖形化的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行:在反應(yīng)室內(nèi)，從室溫開始升溫到1060度，升溫速度為1.6度/秒，在溫度到達(dá)520度時， 通入TMGa和NH3進(jìn)行外延生長，當(dāng)溫度達(dá)到600度時關(guān)閉TMGa和NH3 ;然后繼續(xù)升溫至高溫段1060度；在1050度高溫段維持150s后，再次通入TMGa和NH3并維持45s ;然后停止通入TMGa 和NH3,繼續(xù)在高溫段處理275s ；然后，逐漸降溫至緩沖層的生長溫度530度，開始持續(xù)通入NH3,并在120s后再通入 TMGa進(jìn)行生長150s ;然后停止通入TMGa并開始升溫到1020度， 再次達(dá)到高溫段對已生長的GaN層進(jìn)行處理。
【文檔編號】C30B29/40GK103498193SQ201310446032
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】李淼, 陳起偉, 鄧覺為, 游橋明 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司