[发明专利]一种提高外延晶体质量的外延生长方法

说明书

技术领域：

本发明属于半导体电子器件制备技术，特别涉及一种新的生长LED外延生长方法。

背景技术：

作为第三代半导体材料的代表,GaN材料具有禁带宽度大、耐高温等诸多优异性能。因此,GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、白光照明以及医疗和军事等领域都具有广阔应用。其中最引人注目的是利用GaN基发光二极管(LED)加上荧光粉合成白光实现白光照明。

目前大多采用MOCVD设备在蓝宝石衬底上生长GaN，然而,蓝宝石衬底和GaN材料的晶格常数存在较大的失配(16％),导致蓝宝石衬底上生长GaN晶体具有很高的位错密度，晶体质量很差，造成载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响,使得器件内量子效率下降。随着工艺的不断改进，人们开始采用图形化衬底技术(PSS)，即通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，改变GaN的生长过程,人为的在衬底表面制造周期性的成核中心，能有效抑制材料中位错的生成,提高晶体质量，使器件的内量子效率得到提升。

例如，先以锥形PSS作为生长基底，低温生长缓冲层；然后高温生长U-GaN层,生长厚度保证U-GaN层完全覆盖PSS图形；再依次生长掺杂SiH₄的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层，最后在氮气氛围下退火。

不过，目前人为制造的成核中心虽然一定程度上减少了位错的生成，但在PSS图形之间区域仍存在大量位错(如图1)，这是由蓝宝石衬底材料和GaN材料之间的巨大晶格失配造成的。

发明内容：

本发明提出一种新的LED外延生长方法，能有效提升LED外延的晶体质量。

本发明的解决方案如下：

该外延生长方法，包括以下步骤：

1)以锥形PSS作为生长基底，低温生长第一缓冲层；

2)高温生长第一U-GaN层,生长厚度应保证第一U-GaN层未完全覆盖PSS图形，即有PSS尖部高出第一U-GaN层表面；

3)在NH₃环境中进行高温退火，然后降至低温，再生长第二缓冲层；

4)高温生长第二U-GaN层,生长厚度应保证第二U-GaN层完全覆盖PSS图形；

5)依次生长掺杂SiH₄的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层、掺杂p型GaN层，最后在氮气氛围下退火。

以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。

基于上述方案，本发明还进一步作如下优化限定：

第一U-GaN层厚度为0.5um-2.0um，第二缓冲层厚度为5nm-40nm，第二U-GaN层厚度为1.0um-2.0um。

步骤3)中退火温度为1000℃-1200℃，时间为1min-10min。

第一缓冲层和第二缓冲层均为AlxGa1-xN，0≤x≤1。即X＝0时，第一缓冲层和第二缓冲层为GaN；x＝1时，缓冲层为AlN；x在0到1之间时，缓冲层为AlGaN。

采用上述外延生长方法制得的LED外延片，包括锥形PSS基底、缓冲层、U-GaN层、掺杂SiH4的n-GaN层、多量子阱有源层、掺杂p型AlGaN阻挡层以及掺杂p型GaN层；相比现有的LED外延片结构，其特殊之处是：所述缓冲层和U-GaN层整体上分为依次生长的第一缓冲层、第一U-GaN层、第二缓冲层以及第二U-GaN层，其中第一U-GaN层未完全覆盖PSS图形，第二U-GaN层完全覆盖PSS图形。

本发明具有以下有益效果：

1、生长完U-GaN-1之后在NH₃环境中对样品进行退火，在高温中，U-GaN-1表面界面能较大的晶粒发生解吸附，表面原子出现迁移重组现象，使U-GaN-1的缺陷减少，表面变平整。

2、厚度较薄的U-GaN-1保留了部分PSS图形在GaN膜层外，为后续的buffer-2和U-GaN-2外延生长提供周期性的成核中心,提高晶体质量。

3、在U-GaN-1层上生长buffer-2层，相比于在蓝宝石衬底上生长的buffer-1层，在GaN材料基底上生长的buffer-2层能提供具有更少缺陷、更小内应力和更少晶体取向差异的晶粒。从而为后续生长的U-GaN-2提供更好的基础，有效减小晶体的缺陷密度，提高晶体质量。

附图说明：

图1为现有技术在PSS图形之间区域造成大量位错的示意图。

图2为本发明的LED的外延整体结构图。

具体实施方式：