降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法

摘要

本发明提供了一种降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法。包括以下步骤：(1)首先在衬底上生长低温GaN缓冲层或AlxGal-xN缓冲层，再在缓冲层上生长高温非掺杂GaN层；(2)把反应室内的生长温度调到600℃-1100℃，然后在反应室内单独通入CP2Mg和NH3，CP2Mg和NH3发生反应，在步骤(1)制作的高温非掺杂GaN层上形成MgN，通过通入CP2Mg的时间控制这些孔洞的大小和密度；(3)然后按常规方法继续生长GaN基LED芯片的其它外延材料。本发明采用MgN原位制作纳米掩模图形，降低了GaN基材料中的位错缺陷，与SiN掩模相比，制作MgN掩模时对GaN材料没有腐蚀作用，这样在没有掩模处的GaN不会引入更多的缺陷，能获得更高质量的GaN材料。

权利要求

1.一种降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法，包括以下步骤：

(1)首先采用常规的低温缓冲层生长方法在衬底上生长低温GaN缓冲层或AlxGa1-xN缓冲层，其中0＜x＜1，即在生长炉的反应室内500℃--700℃下生长20nm--60nm厚的低温GaN缓冲层或是在800℃-1200℃的高温下生长厚度为10nm-120nm的高温AlxGa1-xN缓冲层；

缓冲层生长后，使反应室内温度保持800℃--1200℃再在缓冲层上生长100nm--2000nm的高温非掺杂GaN层；

(2)把反应室内的生长温度调到600℃--1100℃，然后在反应室内单独通入CP2Mg和NH3，通入时间为2分钟至10分钟，CP2Mg和NH3发生反应，在步骤(1)制作的高温非掺杂GaN层上形成一层具有孔洞的网状MgN掩模，掩模厚度1nm-20nm，孔洞的横向尺寸为

9 12 2

1nm-1000nm，密度为1×10 个--1×10 个/cm ；

(3)然后把生长温度升高到800度-1200度，在MgN掩模层上继续生长1um厚的高温非掺杂GaN层，在这层高温非掺杂GaN层上按常规MOCVD或HVPE外延生长方法继续生长GaN基LED芯片的其它外延材料，包括掺Si的N型GaN层、铟稼氮/氮化镓多量子阱、P型AlGaN层和掺镁的P型GaN层。

说明书

降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法，属于光电子技术领域。

背景技术

[0002] 以GaN为代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由于具有优良的光电特性，因而在蓝光、绿光、紫外发光二极管(LED)及高频、高温大功率电子器件中得到广泛应用。由于缺乏晶格匹配的衬底，三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。由于和衬底的晶格失配及热失配很大，即使采用低温GaN缓冲层技术后，外延的氮化物中仍存在大量的缺陷，包括由于晶格失配导致的位错、层错等。GaN基材料中的缺陷影响材料的发光性能，同时降低了发光二极管的可靠性。

[0003] 现有的GaN基LED芯片的结构由下至上依次为衬底、低温GaN或AlN缓冲层、高温非掺杂GaN层、N型GaN层、MQW层(多量子阱层)、P型AlGaN层和P型GaN层。衬底可以采用目前常用的蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底等，外延生长方法可使用MOCVD、HVPE等。

[0004] 为进一步提高GaN基材料的晶体质量，研究者提出并使用了多种方法，包括多步低温缓冲层、侧向外延法、图形衬底等。这些方法都能有效地降低GaN材料中的位错缺陷，但这些方法实现起来较复杂，如侧向外延需要先生长一定厚度的GaN然后再从生长系统取出制作二氧化硅掩模，之后再放入生长系统进行二次外延，整个过程复杂；图形衬底是在生长前先把衬底通过光刻、腐蚀等方法在衬底上作出一定形状的图形，之后再放入系统进行外延生长，属于一次外延，但开始的图形制作较复杂。《晶体生长杂志》第311卷第249页发表的Dislocation reduction in GaN with double MgxNy/AlN buffer layer by metal organicchemical vapor deposition(《在金属有机物化学气相沉积中采用双层MgxNy/AlN缓冲层降低GaN的位错》)一文中提到蓝宝石衬底上外延GaN材料时，在低温氮化铝缓冲层前生长一层氮化镁，能降低GaN材料中的位错，但从报道结果看，对缺陷的降低作用非常有限。

[0005] 中国专利文献CN1697134公开了《一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法》，使用常规的两步生长法，在衬底上外延生长GaN缓冲层；在此GaN缓冲层上，使用常规的外延方法，在600～1200℃淀积厚度为1～10nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层。该文献采用原位SiN(氮化硅)掩模来降低GaN中的缺陷，但从实际应用的经验来看，在制作原位SiN掩模时通入的SiH4(硅烷)开始阶段对GaN有强烈的腐蚀作用，使GaN表面出现很多孔洞，导致GaN材料中的缺陷增多。

发明内容

[0006] 本发明针对现有降低GaN基LED芯片外延生长中缺陷所采用方法存在的问题，提供一种简单易行、成本低、效果好的降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法。

[0007] 本发明的降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法，包括以下步骤：

[0008] (1)首先采用常规的低温缓冲层生长方法在衬底上生长低温GaN缓冲层或AlxGa1-xN缓冲层，其中0＜x＜1，即在生长炉的反应室内500℃--700℃下生长20nm--60nm厚的低温GaN缓冲层或是在800℃-1200℃的高温下生长厚度为10nm-120nm的高温AlxGa1-xN缓冲层；缓冲层生长后，使反应室内温度保持800℃--1200℃再在缓冲层上生长100nm--2000nm的高温非掺杂GaN层；

[0009] (2)把反应室内的生长温度调到600℃--1100℃，然后在反应室内单独通入CP2Mg和NH3，通入时间为2分钟至10分钟，CP2Mg和NH3发生反应，在步骤(1)制作的高温非掺杂GaN层上形成一层具有孔洞的网状MgN掩模，掩模厚度1nm-20nm，孔洞的横向尺寸为9 12 2
1nm-1000nm，密度为1×10 个--1×10 个/cm ；

[0010] 反应初始，形成的MgN较少，MgN在高温非掺杂GaN层表面上呈现均匀分布的单个小岛状，随着反应时间的增加，单个MgN小岛的体积和横向面积逐渐增加，然后单个小岛之间相遇合并，合并时由于单个小岛的形状是不规则的，在合并区域存在大量没有MgN而露出GaN的孔洞，通过通入CP2Mg的时间控制这些孔洞的大小和密度。

[0011] (3)然后把生长温度升高到800度-1200度，在MgN掩模层上继续生长1um厚的高温非掺杂GaN层，在这层高温非掺杂GaN层上按常规方法继续生长GaN基LED芯片的其它外延材料，包括掺Si的N型GaN层、铟稼氮/氮化镓多量子阱、P型AlGaN层和掺镁的P型GaN层。

[0012] 上述方法所采用的MgN掩膜在实际操作上简单易行，只需调节CP2Mg和NH3的通入时间即可控制MgN掩膜的厚度及其在GaN上的覆盖度，通常这一层的时间在2分钟至10分钟。MgN掩膜的厚度在1-10nm之间，选择合适的厚度使GaN表面覆盖均匀，且露出部分GaN。在MgN掩膜上重新生长其它外延材料时，掩模位置难以生长GaN，这样掩模下的缺陷会被MgN阻挡；没有MgN掩模处才继续生长GaN材料，当继续生长GaN材料超过掩模厚度后，GaN进行横向生长，而横向生长的材料中位错缺陷密度很少。通过加入这层掩模，最终获得低位错、高质量的GaN层。

[0013] 本发明采用原位制作纳米掩模图形的方法，降低GaN基材料中的位错缺陷，提高材料晶体质量，进而改善发光器件的性能，不需要二次外延，不需要经过光刻、腐蚀等复杂步骤来制作图形，具有实现方法简单易行、成本低等优点。与SiN掩模相比，制作MgN掩模时对GaN材料没有腐蚀作用，这样在没有掩模处的GaN不会引入更多的缺陷，能获得更高质量的GaN材料。

附图说明

[0014] 图1是原位MgN掩模的平面结构示意图。

[0015] 图2是本发明采用原位MgN后生长的GaN基LED外延材料的结构示意图。

[0016] 其中：1、衬底，2、100nm--2000nm厚的高温非掺杂GaN层，3、MgN复合物，4、1um厚的高温非掺杂GaN层，5、其它外延材料。

具体实施方式

[0017] 实施例1

[0018] 先把蓝宝石衬底1放入MOCVD(金属有机物化学气相沉积)生长炉的反应室内，反应室在H2氛围下升温到1100℃对蓝宝石衬底进行15分钟的热处理，然后用10分钟降低温度至535℃，在衬底上生长一层厚30nm的低温GaN缓冲层，采用的源材料是三甲基镓和NH3。然后使反应室在8分钟内升高温度至1060℃，这个过程对低温GaN缓冲层进行热退火使之重新结晶，在此温度下生长100nm--2000nm厚的高温非掺杂GaN层2。然后在反应室内单独通入Cp2Mg(二茂镁)源和NH3，两者反应形成MgN复合物3，均匀的覆盖在高温GaN层2上，通入CP2Mg时间为3分钟，MgN的厚度达到1nm-8nm，形成如图1所示的具有孔洞的网状MgN
2
掩模，孔洞的横向尺寸为2nm-20nm，密度为1E9个-9E10个/cm。

[0019] 之后再在MgN覆盖物上接着生长1um厚的高温非掺杂GaN层4，生长条件和100nm--2000nm厚的高温非掺杂层2一样。最后按现有常规方法外延生长GaN基LED芯片
3
的其它外延材料4，包括掺Si的n型GaN(掺Si量一般为5E17个原子/cm-5E19个原子/
3 3
cm)、铟稼氮/氮化镓多量子阱、掺镁氮化镓(掺Mg量一般为5E19个原子/cm-5E21个原
3
子/cm)等。原位MgN覆盖物相当于纳米尺寸的掩模，重新生长的GaN开始阶段有一个侧向外延的过程，这样能降低GaN材料中的位错缺陷。

[0020] 实施例2

[0021] 先把SiC衬底1放入MOCVD生长炉的反应室内，反应室在H2氛围下升温到1100℃对衬底进行15分钟的热处理，然后用3分钟降低温度至1000℃-1100℃，在衬底上生长厚度10nm-200nm的高温AlxGa1-xN缓冲层，其中0＜x＜1。之后把温度降低到1070度，通入6分钟的NH3和CP2Mg，形成MgN掩模。之后在MgN覆盖物上接着生长1um厚的高温非掺杂GaN层4。最后外延GaN基LED芯片的其它外延材料5，包括掺Si的n型GaN、铟稼氮/氮化镓多量子阱、掺镁氮化镓等。

[0022] 实施例3

[0023] 先把Si衬底1放入MOCVD生长炉的反应室内，反应室在H2氛围下升温到1100℃对Si衬底进行15分钟的热处理，然后用5分钟降低温度至1000℃，在衬底上生长10nm-30nm的高温AlxGa1-xN缓冲层，其中0＜x＜1。然后通入10分钟的NH3和CP2Mg，形成氮化镁掩模3。之后在MgN覆盖物上接着生长1um厚的高温非掺杂GaN层4。最后外延GaN基LED芯片的其它外延材料5，包括掺Si的n型GaN、铟稼氮/氮化镓多量子阱、掺镁氮化镓等。