[发明专利]一种提高材料晶体质量的外延生长方法

说明书

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。