一種MOCVD外延粗化P型GaN表面方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上制備P型GaN材料，尤其涉及一種P型GaN表面粗化方法，屬于半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN基二極管(LEDs)已商業(yè)化，LEDs亮度主要取決于有源區(qū)內(nèi)量子效率和光提取效率，LEDs的內(nèi)量子效率已經(jīng)可以達(dá)到80%以上，但是由于低的光提取效率，許多產(chǎn)生于有源區(qū)的光子并沒有逸出LED，使得外量子效率較低，因此提高光提取效率是提高LEDs外量子效率的有效途徑。LED的外量子效率很大程度受光提取效率影響，原因是GaN的折射率比較高，GaN的折射率(neaN)和空氣(naJ的折射率分別為2.5和1，根據(jù)折射定律得到臨界角約為23°，這個臨界角使有源區(qū)發(fā)射的光有很大一部分不能直接發(fā)射到空氣中，而是要經(jīng)歷多次內(nèi)反射并最終被LED自身吸收，不但降低發(fā)光效率也增加了 LED的散熱問題。在表面粗糙的LED器件中，光子由于散射而增加了逸出的機(jī)會，從而提高了光提取效率。因此一種方法就是表面粗化，表面粗化是指將滿足全反射定律的光線改變傳播方向并使之在另一表面或者反射回原表面時不會被全反射而透過界面，從而起到防反射的功能。表面粗化最早由日亞化學(xué)提出，原理是將器件內(nèi)部和外部的幾何形狀進(jìn)行粗化，從而破壞光線在器件內(nèi)全反射，提高其出光效率。提高光提取效率的方法主要有光子晶體、ΙΤ0、倒裝結(jié)構(gòu)以及特殊形狀芯片等，這些多數(shù)是在外延結(jié)束后通過后工藝方法(如濕法腐蝕和干法刻蝕GaN表面)來獲得粗糙的表面，增加了如光刻等復(fù)雜工藝和生產(chǎn)成本，那么要尋找一種MOCVD在線生長方法，即通過外延生長改變上面P型層形貌獲得粗糙的表面以提高光的提取效率。由于晶格失配和熱失配GaN異質(zhì)外延材料位錯密度高，以往的研宄采用各種AlN緩沖層、AlN/GaN超晶格等技術(shù)，也有采用SiN單層插入層或多層插入層，SiN插入層技術(shù)是通過使用硅烷處理，實現(xiàn)對再生長的GaN生長從3維生長模式轉(zhuǎn)換到2維生長模式，降低GaN位錯密度，提高了材料的晶體質(zhì)量。本發(fā)明利用了其中在非故意摻雜GaN生長特點，將其轉(zhuǎn)移至Mg摻雜的P型GaN外延上實現(xiàn)表面粗化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明之目的在于提供一種P型GaN表面粗化的方法，該方法不需要外延后的刻蝕步驟，直接在外延過程中實現(xiàn)P型材料表面形貌的粗化。
[0004]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種P型GaN外延粗化表面的方法，包括以下步驟:
[0005]一種MOCVD外延粗化P型GaN表面方法，其特征在于包括以下步驟:
[0006]在非故意摻雜GaN層上生長P型GaN層I，P型GaN層厚度為200_250nm ；
[0007]接著停止通入Ga源，切換通入Si源硅烷，SiH4流量為12sccm-24sccm，反應(yīng)室溫度950-980°C，持續(xù)時間為1.5-2.5分鐘，硅烷和氨氣摩爾比1.86χ10_4_3.75χ1(Γ3;
[0008]停止通入Si源，切換再通入Ga和Mg源，生長P型GaN層II，厚度為100_150nm ；
[0009]整個過程中都有氫氣和N源氨氣。
[0010]更為具體的:
[0011]步驟一、在藍(lán)寶石襯底上生長非故意摻雜的GaN層。
[0012]步驟二、在非故意摻雜的GaN層上生長P型GaN層I。
[0013]步驟三、在所述生長完P(guān)型GaN層I后，繼續(xù)通入NH3,停止通入Ga源、Mg源，切換開始通入SiH4。
[0014]步驟四、在所述步驟二后繼續(xù)通入NH3,停止通入SiH4,切換通入Ga源、Mg源生長P型GaN層II。
[0015]上述生長過程中載氣為H2,源材料是分別以TMGa，NH3, SiH4, CP2Mg作為Ga源、N源、Si源、Mg摻雜源。
[0016]上述步驟一和步驟三中P型GaN的生長，P型GaN層I厚度為200_250nm，P型GaN層II厚度為100-150nmo
[0017]在進(jìn)行上述步驟二時，SiH4流量為12sccm_24sccm，保持娃燒和氨氣摩爾比
1.86χ1(Γ4-3.75χ1(Γ3，持續(xù)時間為 1.5-2.5 分鐘，反應(yīng)室溫度為 950°C -980°C ο
[0018]所述的P型GaN外延粗化表面方法，其機(jī)理和特點在于:
[0019]在P型GaN層上沉積Si N納米層，會使得GaN表面部分地被Si N原子層覆蓋，由于Ga原子在GaN表面上的粘附系數(shù)高于在SiN表面上，因而隨后生長的GaN將優(yōu)先沉積于未被覆蓋的GaN上，控制再生長的GaN層的合并。納米級Si N原子薄層方法的成功取決于沉積條件，其中粗化時間、溫度和氣體流量是關(guān)鍵參數(shù)。如果沉積不足，不能形成納米級孔洞；如果沉積超出臨界值，納米級孔洞和鄰近的孔洞合并而消失，后面的外延薄膜獲得不到好的粗化效果。在沉積溫度方面，Ga-N鍵能(103kJ moF1)比S1-N鍵能(439kJ moF1)低，如果沉積溫度過高，N原子首先從GaN表面脫離，而其中的Ga原子迀移去和NH3中的N原子再結(jié)合，影響了對SiN納米層形成的控制。另外孔洞的大小和密度也還要受氣體的流量影響。因此合理控制納米級Si N原子薄層的沉積條件、氣體流量以及再生長的P型GaN層的厚度，能夠得到需要的粗糙表面。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明通過外延手段對P型GaN表面進(jìn)行粗化，避免了外延結(jié)束后繁雜的刻蝕工藝，既節(jié)約了時間又降低了生產(chǎn)成本，并且能夠通過控制硅烷通入時間和流量以及再生長的GaN的厚度來獲得不同粗糙度的表面。同時SiN納米層在GaN外延片中起到了橫向外延的作用。GaN橫向外延過程中能夠阻斷位錯和使位錯轉(zhuǎn)向。最初的SiN納米粒優(yōu)先沉積在位錯中心，隨著SiN納米層的覆蓋，該層下方的GaN層模板中的穿透位錯將被終止，穿透位錯不能繼續(xù)向上層GaN中擴(kuò)展，從而降低再生長的P型GaN層位錯密度，提高材料質(zhì)量，對于器件不利于產(chǎn)生漏電流。
[0021]本發(fā)明提出的外延粗化P型GaN方法，本方法是MOCVD生長在線條件下采用控制生長時間和源流量，獲得表面粗化的P-GaN材料，這避免了后復(fù)雜工藝，節(jié)約了時間，降低了生產(chǎn)成本。而且該方法的實現(xiàn)也達(dá)到減小位錯密度之目的，提高P型GaN晶體質(zhì)量，本案提出將能對GaN基LED器件光提取效率的提高15%左右。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例1通過本發(fā)明的方法粗化的GaN表面的SEM圖。
[0023]圖2為實施例1通過本發(fā)明的方法粗化的GaN表面的光學(xué)輪廓儀表面形貌。
[0024]圖3為實施例2通過本發(fā)明的方法粗化的GaN表面的SEM圖。
[0025]圖4為實施例2通過本發(fā)明的方法粗化的GaN表面的光學(xué)輪廓儀表面形貌。
[0026]圖5為實施例1通過本發(fā)明的方法粗化的GaN的XRD的測試結(jié)果。
[0027]圖6為實施例2通過本發(fā)明的方法粗化的GaN的XRD的測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0028]具體實施例一
[0029]本發(fā)明提供的MOCVD設(shè)備生長在線粗化P型GaN材料的方法，其具
[0030]體外延過程如下:在非故意摻雜的GaN層生長P型GaN生長層I，納米層
[0031]Si N，P型GaN生長層II。整個外延生長過程中H2為載氣，源材料為:TMGa
[0032]和NH3、SiH4和CP 2Mg分別作為Ga源、N源、Si源和Mg源。
[0033](I)在藍(lán)寶石襯底上生長非故意摻雜的GaN層。
[0034](2)在非故意摻雜的GaN層上P型GaN層I，厚度為200nm，生長時通入TMGa和NH3和 CP2Mg0
[0035](3)繼續(xù)通入NH3,停止通入TMGa和CP2Mg,切換通入SiH4,反應(yīng)室溫度為980°C，生長時間為2分鐘，SiH4流量為12sccm，硅烷和氨氣摩爾比1.86x10 _4。
[0036](4)停止通入SiH4,切換通入Ga源、Mg源生長P型GaN層II，厚度為lOOnm。
[0037]具體實施例二
[0038](I)和⑵與實施例一中相同，(3)中沉積納米層SiN時，反應(yīng)室溫度為970°C，持續(xù)時間為2分鐘，SiH4流量為24sccm，硅烷和氨氣摩爾比3.75x10 _3(4)中P型GaN層II的厚度為150nmo
[0039]顯示用此方法生長是P型GaN材料實施例粗化效果。圖2、圖3、圖4、圖5和圖6分別為本發(fā)明制備的P型GaN的粗化后的表面形貌和XRD測試FWHM測試結(jié)果。
[0040]以上為MOCVD外延生長在線粗化P-GaN的方法，為對發(fā)明目的、技術(shù)方案的進(jìn)一步說明，以上所述僅限于具體實施實例，并不用于限制本發(fā)明的范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則范圍以內(nèi)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種MOCVD外延粗化P型GaN表面方法，其特征在于包括以下步驟: 在非故意摻雜GaN層上生長P型GaN層I，P型GaN層厚度為200_250nm ； 接著停止通入Ga源，切換通入Si源硅烷，SiH4流量為12sccm-24sccm，反應(yīng)室溫度950-980°C，持續(xù)時間為1.5-2.5分鐘，硅烷和氨氣摩爾比1.86χ1(Γ4_3.75xl(T3; 停止通入Si源，切換再通入Ga和Mg源，生長P型GaN層II，厚度為100_150nm ； 整個過程中都有氫氣和N源氨氣。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種MOCVD外延粗化P型GaN表面方法。其包括以下步驟：在藍(lán)寶石襯底上生長非故意摻雜GaN層，然后再生長厚的P型GaN層I，厚度為200-250nm；接著停止通入Ga源，通入硅烷，SiH4流量為12sccm-24sccm，硅烷和氨氣摩爾比1.86x10-4-3.75x10-3,反應(yīng)室溫度為950℃-980℃，持續(xù)時間為1.5-2.5分鐘。最后再生長P型GaN層II，厚度為100-150nm。本發(fā)明沉積納米層SiN粗化P型GaN表面，其成功取決于納米層SiN的沉積條件，控制再生長的P型GaN層合并，獲得粗化的表面。本發(fā)明通過MOCVD在線外延手段對GaN表面進(jìn)行粗化，避免了LED器件制備為提高光的提取效率在外延結(jié)束后采取復(fù)雜的刻蝕工藝，既節(jié)約了時間又降低了生產(chǎn)成本。
【IPC分類】C30B29/40, C30B25/02
【公開號】CN104911699
【申請?zhí)枴緾N201510219214
【發(fā)明人】邢艷輝, 王凱, 韓軍, 趙康康
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月3日