[发明专利]一种在蓝宝石图形化衬底上生长高质量GaN晶体材料的生长技术

说明书

技术领域

本发明属于化合物半导体晶体生长技术领域，具体的说是一种在蓝宝石(Al2O3)图形化衬底(PSS)上生长高质量GaN晶体材料的物理化学生长技术。该技术采用MOCVD设备，在蓝宝石图形化衬底材料上生长GaN晶体，能够有效地改善GaN晶体的材料特性，降低晶体的缺陷密度和减少晶体材料的应力。在采用该技术获得的GaN晶体材料的基础上制作发光二极管(LED)器件或半导体激光器(LD)器件等，更有助于器件性能的改善。本发明所涉及的技术不局限于在蓝宝石图形化衬底上生长高质量GaN晶体材料，也可以应用在其他衬底材料如光滑表面的蓝宝石(Al2O3)衬底、SiC衬底、GaN衬底、ZnO衬底上生长GaN晶体材料。

背景技术

发光二极管(以下简称LED)作为第4代固体照明光源已经得到普遍的共识，随着技术的发展，其性能持续地提高，应用市场也随之急速扩大，尤其是高发光效率的LED和替代传统照明的白光LED在最近几年陆续被研发出来，未来高亮度LED市场的发展将会更快速更广泛的成长。

但受制于制备LED的半导体材料的特性限制，其主要构成材料对光的折射率很高，以氮化镓(GaN)系结晶为例，在LED元件结晶内部发出的光并没有完全透出而是部分被内部反射，最终被材料所吸收。例如n型掺杂的GaN层与蓝宝石基板界面的临界角是47度，p型掺杂的GaN层与封装模具材料如树脂的界面的临界角是38度，超过临界角度的光将被界面全反射而无法透射到芯片外部形成出射光。为了解决LED器件出光率的问题，业界发展出了各种增加出光效率的方法，包括芯片表面制备粗化层及采用蓝宝石图形化衬底(以下简称PSS)等。其中采用PSS衬底技术因其对LED器件出光率改善明显且成本收益率好而得到了广泛的应用。

PSS衬底是采用刻蚀工艺在平滑的Al2O3衬底表面加工出平台突起或锥形突起分布(如图1所示)，然后在此图形基础上进行外延生长GaN材料，这就会带来GaN材料不仅在垂直于衬底材料平面方向的0001面上生长，也会在暴露出的突起图形侧面(非0001方向)上生长，随着材料层生长厚度的增加，最终将获得平坦的GaN材料层表面用以后续的LED等器件结构的生长，但在GaN材料生长的平坦化过程中，由于各个突起单元的垂直于侧面生长的材料与垂直于水平方向生长的材料将会互相交和，突起间垂直于水平方向生长的材料也将在达到一定厚度后相互合并，这个相互结合的过程会产生各种生长缺陷及应力，这在一定程度上限制了在PSS衬底上生长GaN材料所能获得的GaN材料的质量。

目前采用的技术是基于在平滑的Al2O3衬底上生长GaN材料的基础上，通过增加成核层和缓冲层的生长时间，采用比在平滑的Al2O3衬底上生长的GaN材料层更厚的GaN材料层来获得平坦的GaN层表面，这种方法对由不同方向生长的材料结合产生的缺陷的控制能力较弱，同时在解决GaN材料层的应力释放上也效果欠佳，因而难以获得高质量的GaN材料。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种新的在PSS衬底上生长GaN材料的方法，通过两次低温成核层的生长并在过程中间配合高温再结晶过程，降低缺陷密度和材料应力以获得更高质量的GaN材料。

本发明提供的技术解决方案在于：

在蓝宝石图形化衬底PSS上低温生长GaN晶体成核层材料(以下简称首次成核过程)，在成核层生长完毕后升高衬底材料温度后进行GaN晶体再结晶生长(以下简称首次再结晶过程)。

在首次再结晶过程结束后，重新降低衬底材料温度再次进行GaN晶体成核生长即GaN晶体三维生长(以下简称二次成核过程)。在二次成核过程结束后，将衬底材料重新升温进行GaN晶体再结晶生长(以下简称二次再结晶过程)。

在完成以上各步生长后，升高衬底片温度，同时降低反应室的压力进行GaN晶体体材料的生长，即可获得表面平坦且高质量的GaN材料层，相比较于传统的单次成核层生长工艺具有更低的缺陷密度和更小的材料应力。

本发明所产生的积极效果在于：

采用两次低温成核层的生长并在过程中间配合高温再结晶过程，通过首次成核过程的生长获得GaN材料的晶体种子，二次成核过程将优先直接在首次成核过程中形成的GaN材料的晶体种子上生长，降低了晶向的不一致性，从而很好的降低了材料应力。在两次成核工程后都紧跟了一步高温再结晶过程，有助于降低材料缺陷密度以获得高质量的GaN材料。

附图说明

图1是两种PSS衬底的表面图形示意，分别为左边的平台型突起表面和右边的锥形突起表面。