[发明专利]一种以镓液滴作为缓冲层外延GaN的结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电半导体材料氮化镓的外延生长结构和方法，属于光电子技术领域。

背景技术

氮化镓材料作为一种新型的半导体材料收到了越来越多的关注。作为第三代半导体的代表性材料，氮化镓具有优异的电学和光学性质，其具有较宽带隙、直接带隙的优点，耐高温高压，适合应用于条件恶劣的环境中。氮化镓材料的主要用途为发光二极管和高电子迁移率晶体管。氮化镓基发光二极管可实现从紫外到红光的波长变化，覆盖了整个可见光波段，尤其是氮化镓蓝色发光二极管的商品化，带动了半导体照明领域的发展。目前，发光二极管广泛应用于交通信号灯、全色显示、液晶屏幕背光板、汽车仪表及内装灯等。近些年来，紫外发光二极管进入市场，主要用于生物粒子的探测(如吸收范围在260－340nm的细菌芽孢的探测)、空气和水的纯化、医疗和诊断等。与一般的发光二极管相比，紫外发光二极管对材料的质量要求更高。

由于氮化镓材料单晶的获取非常困难，成本也很高，因此目前氮化镓材料一般生长在异质衬底上(蓝宝石、碳化硅、硅等)。在异质衬底上生长材料需要解决衬底与外延层之间的成核问题，由于材料之间存在晶格常数和润湿性的差异，异质外延需要通过缓冲层来实现。缓冲层可以起到缓解衬底和外延层之间晶格失配的作用，同时可以起到润湿的作用，有效改善外延材料的晶体质量。但是缓冲层的存在只能缓解一部分晶格失配，实际生长的氮化镓外延材料仍然具有较高密度的位错。

以蓝宝石为基板生长的氮化镓基发光二极管外延层生长过程中，由于蓝宝石与GaN存在显著的晶格失配，GaN基发光二极管材料在生长过程中会产生很大的应力。此应力会影响到外延片的内量子效率及外延片的亮度，同时还会影响到抗静电能力,典型的外延层结构中，以低温GaN层为缓冲层，该层在外延生长中有很大作用。而对于缓冲层，不同的生长方法所起到的作用大小不同，最重要的作用如释放结晶过程中的应力，堙灭穿透位错，改善晶体质量等。

日本专利文献JP7312350《CRYSTALGROWTHMETHODOFGALLIUMNITRIDE-BASEDCOMPOUNDSEMICONDUCTOR》公开了一种在蓝宝石衬底上利用铝镓氮缓冲层外延氮化镓的方法，该缓冲层采用金属有机物化学气相沉积方法生长，可以获得镜面的高质量氮化镓材料。美国专利文献US6495867《InGaN/AlGaN/GaNMutilayerBufferForGrowthOfGaNOnSapphire》公开了一种复合缓冲层的结构，其采用铟镓氮、铝镓氮、氮化镓的复合缓冲层来降低蓝宝石与氮化镓之间的失配度。中国专利文献CN103811601A公开的《一种以蓝宝石衬底为基板的GaN基LED多阶缓冲层生长方法》，提供一种以蓝宝石衬底为基板的GaN基LED多阶缓冲层生长方法，其多阶缓冲层外延结构，其外延结构的生长方法包括以下具体步骤：将衬底在氢气气氛里进行高温清洁处理，将温度下降到600℃，调整外延生长气氛准备生长多阶LT-AlGaN/MT-GaN/HT-GaN缓冲层，之后生长GaN非掺杂层，生长掺杂浓度稳定的N型GaN层，生长浅量子阱层，生长发光层多量子阱层，生长低温P型GaN层，生长PAlGaN电流阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层，外延生长结束后采用纯氮气气氛进行退火处理。本发明通过多阶LT-AlGaN/MT-GaN/HT-GaN缓冲层结构更好的解决蓝宝石与GaN之间的大晶格失配问题，减少穿透位错，改善晶体质量，减小漏电提高外延片的亮度，改进LED发光效率。

上述的文献都是涉及外延氮化镓材料的典型缓冲层，采用的缓冲层都是氮化物材料，都与外延氮化镓层的性质相对接近，虽然可以缓解晶格失配，但是不能很好的缓和衬底与外延材料之间的应力与热膨胀系数失配。因此，在外延生长时，会由于存在较大的应力导致外延晶体质量有所降低，甚至出现裂纹。

发明内容

针对现有在缓冲层上外延生长GaN技术存在的不足，本发明提供一种能显著提高GaN基LED晶体质量、提升抗静电能力的以镓液滴作为缓冲层外延GaN的结构，是在蓝宝石、SiC或Si衬底上以镓液滴作为缓冲层外延GaN，不但能降低外延材料的应力，而且还提高了外延晶体质量。同时提供一种该结构的制备方法。

本发明的以镓液滴作为缓冲层外延GaN的结构，采用如下技术方案：

该结构，自下而上依次设置有衬底、缓冲层和GaN层，所述缓冲层为镓液滴层，镓液滴层生长在衬底上，镓液滴层上外延GaN层。

所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底厚度为100μm-1000μm。