一種以鎵液滴作為緩沖層外延GaN的結構及其制備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種光電半導體材料氮化鎵的外延生長結構和方法，屬于光電子技術領域。
【背景技術】
[0002]氮化鎵材料作為一種新型的半導體材料收到了越來越多的關注。作為第三代半導體的代表性材料，氮化鎵具有優異的電學和光學性質，其具有較寬帶隙、直接帶隙的優點，耐高溫高壓，適合應用于條件惡劣的環境中。氮化鎵材料的主要用途為發光二極管和高電子迀移率晶體管。氮化鎵基發光二極管可實現從紫外到紅光的波長變化，覆蓋了整個可見光波段，尤其是氮化鎵藍色發光二極管的商品化，帶動了半導體照明領域的發展。目前，發光二極管廣泛應用于交通信號燈、全色顯示、液晶屏幕背光板、汽車儀表及內裝燈等。近些年來，紫外發光二極管進入市場，主要用于生物粒子的探測(如吸收范圍在260 - 340nm的細菌芽孢的探測)、空氣和水的純化、醫療和診斷等。與一般的發光二極管相比，紫外發光二極管對材料的質量要求更高。
[0003]由于氮化鎵材料單晶的獲取非常困難，成本也很高，因此目前氮化鎵材料一般生長在異質襯底上(藍寶石、碳化硅、硅等)。在異質襯底上生長材料需要解決襯底與外延層之間的成核問題，由于材料之間存在晶格常數和潤濕性的差異，異質外延需要通過緩沖層來實現。緩沖層可以起到緩解襯底和外延層之間晶格失配的作用，同時可以起到潤濕的作用，有效改善外延材料的晶體質量。但是緩沖層的存在只能緩解一部分晶格失配，實際生長的氮化鎵外延材料仍然具有較高密度的位錯。
[0004]以藍寶石為基板生長的氮化鎵基發光二極管外延層生長過程中，由于藍寶石與GaN存在顯著的晶格失配，GaN基發光二極管材料在生長過程中會產生很大的應力。此應力會影響到外延片的內量子效率及外延片的亮度，同時還會影響到抗靜電能力，典型的外延層結構中，以低溫GaN層為緩沖層，該層在外延生長中有很大作用。而對于緩沖層，不同的生長方法所起到的作用大小不同，最重要的作用如釋放結晶過程中的應力，堙滅穿透位錯，改善晶體質量等。
[0005]日本專利文獻 JP7312350 ((CRYSTAL GROWTH METHOD OF GALLIUM NITRIDE-BASEDCOMPOUND SEMICONDUCTOR》公開了一種在藍寶石襯底上利用鋁鎵氮緩沖層外延氮化鎵的方法，該緩沖層采用金屬有機物化學氣相沉積方法生長，可以獲得鏡面的高質量氮化鎵材料。美國專利文獻 US6495867 ((InGaN/AlGaN/GaN Mutilayer Buffer For Growth Of GaN OnSapphire》公開了一種復合緩沖層的結構，其采用銦鎵氮、鋁鎵氮、氮化鎵的復合緩沖層來降低藍寶石與氮化鎵之間的失配度。中國專利文獻CN103811601A公開的《一種以藍寶石襯底為基板的GaN基LED多階緩沖層生長方法》，提供一種以藍寶石襯底為基板的GaN基LED多階緩沖層生長方法，其多階緩沖層外延結構，其外延結構的生長方法包括以下具體步驟:將襯底在氫氣氣氛里進行高溫清潔處理，將溫度下降到600°C，調整外延生長氣氛準備生長多階LT-AlGaN/MT-GaN/HT-GaN緩沖層，之后生長GaN非摻雜層，生長摻雜濃度穩定的N型GaN層，生長淺量子阱層，生長發光層多量子阱層，生長低溫P型GaN層，生長PAlGaN電流阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層，外延生長結束后采用純氮氣氣氛進行退火處理。本發明通過多階LT-AlGaN/MT-GaN/HT-GaN緩沖層結構更好的解決藍寶石與GaN之間的大晶格失配問題，減少穿透位錯，改善晶體質量，減小漏電提高外延片的亮度，改進LED發光效率。
[0006]上述的文獻都是涉及外延氮化鎵材料的典型緩沖層，采用的緩沖層都是氮化物材料，都與外延氮化鎵層的性質相對接近，雖然可以緩解晶格失配，但是不能很好的緩和襯底與外延材料之間的應力與熱膨脹系數失配。因此，在外延生長時，會由于存在較大的應力導致外延晶體質量有所降低，甚至出現裂紋。
【發明內容】
[0007]針對現有在緩沖層上外延生長GaN技術存在的不足，本發明提供一種能顯著提高GaN基LED晶體質量、提升抗靜電能力的以鎵液滴作為緩沖層外延GaN的結構，是在藍寶石、SiC或Si襯底上以鎵液滴作為緩沖層外延GaN，不但能降低外延材料的應力，而且還提高了外延晶體質量。同時提供一種該結構的制備方法。
[0008]本發明的以鎵液滴作為緩沖層外延GaN的結構，采用如下技術方案:
[0009]該結構，自下而上依次設置有襯底、緩沖層和GaN層，所述緩沖層為鎵液滴層，鎵液滴層生長在襯底上，鎵液滴層上外延GaN層。
[0010]所述襯底為藍寶石襯底、碳化硅襯底或硅襯底，襯底厚度為100 μ m-1000 μ m。
[0011]所述鎵液滴層的厚度為2nm-5000nm ;層數為1_30層。
[0012]所述GaN層的厚度為2 μ m-8 μ m。
[0013]上述外延GaN的結構以鎵液滴作為柔性緩沖層，不但降低了 GaN外延層的應力，而且提高了外延晶體的質量，增強了抗靜電能力，其抗靜電能力比常規LED結構增加了5% -20%。
[0014]上述以鎵液滴作為緩沖層外延GaN結構的生長方法，包括以下步驟:
[0015](I)采用金屬有機物化學氣相沉積法，在厚度為100 μ m-1000 μπι的襯底層上進行鎵液滴沉積，制備鎵液滴層，其生長溫度為50°C -1500°C，反應室壓力為80-300mbar，生長速率為Inm/分鐘-1OOnm/分鐘，使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣，且氮氣和氫氣的體積比為1-5: 5-1 ;鎵液滴層的層數為1-30層；
[0016](2)在鎵液滴層上采用金屬有機物化學氣相沉積法生長GaN層，生長速率為0.5 μ m/小時-8 μ m/小時，生長溫度為900_1200°C，厚度為2 μ m_8 μ m，使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣，氮氣和氫氣的體積比為1:50-25:2。
[0017]在GaN層上繼續外延生長N型GaN、InGaN/GaN多量子阱有源區、P型AlGaN和P型GaN，之后分別制備P電極和N電極，最終制得GaN基LED。
[0018]與現有技術相比，本發明的優良效果在于:
[0019]I)本發明通過采用鎵液滴層作為襯底與GaN外延層之間的緩沖層，以獲得低應力、高質量的GaN外延層，降低LED器件的次品率，提高LED器件的質量、延長使用周期。
[0020]2)本發明生長的GaN外延層具有較低密度的位錯，從而提高在其基礎上制備的發光二極管的亮度或者提高在其基礎上制備的高電子迀移率晶體管的迀移率，降低器件的漏電流，提升抗靜電能力。
[0021]3)本發明所述的制備方法，有效地緩解了襯底層與GaN層之間的晶格失配和熱膨脹系數失配的問題。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的外延GaN的結構示意圖；
[0023]圖2是本發明實施例1的外延GaN的結構分別在X光(002)半峰寬由240秒降低至160秒時的歸一化光強分布圖。
[0024]其中:1、碳化硅襯底層；2、鎵液滴層；3、GaN層。
【具體實施方式】
[0025]實施例1
[0026]如圖1所示，本發明的以鎵液滴作為緩沖層外延GaN的結構，自下而上依次設置有襯底1、鎵液滴層2和GaN層3，鎵液滴層2生長在襯底I上，鎵液滴層2上外延GaN層3。襯底I為碳化硅襯底，其厚度為600 μ m。鎵液滴層2的厚度為2nm，層數為30層。GaN層3的厚度為6 μπι。
[0027]上述以鎵液滴作為緩沖層外延GaN結構的生長方法，包括以下步驟:
[0028](I)采用金屬有機物化學氣相沉積法，將襯底放進MOCVD的反應腔內，在厚度為600 μ m的碳化硅襯底上進行鎵液滴沉積，制備厚度2nm的鎵液滴層，其生長溫度為1500°C，反應室壓力為80mbar，生長速率為30nm/分鐘，使用的載氣為氮氣和