一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法

摘要

本发明提供一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法，其具体生长方法包括以下步骤：（1）衬底经高温氢化后，先生长优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层，Al组分在10%-60%之间，生长时间在1-6min，生长温度在500-580℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-500；(2)采取超晶格进行生长优化的nAlGaN层：(3)优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层与nAlGaN层超晶格结构中的Al掺杂量可以进行搭配处理，调节生长过程中产生的应力，减少大尺寸外延片生长过程中产生的翘曲。本发明通过采用优化生长缓冲层及结合优化nAlGaN层外延生长方法，可以有效减小4吋或者6吋外延片的翘曲效应，从而使得外延片生长过程中的应力变小，最终达到避免大尺寸外延片翘曲过大造成的裂片损失。

说明书

技术领域

本发明涉及Ⅲ族氮化物材料制备技术领域，具体为一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法。

背景技术

发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。LED正在进入液晶电视的背光源及照明领域，更大的市场发展机会取决于降低每流明的成本，这可以通过采用较大尺寸的蓝宝石衬底进行外延生长。

目前2英寸外延片是国内市场的绝对主流，因为2英寸外延片的成本更低，技术也更容易掌握。在MOCVD设备中，使用较大尺寸的外延片，如4吋或者6吋，可以增加每个周期芯片的利用面积，同时也可以使得反应室的可用面积得到最大的利用。

随着衬底尺寸的变大，蓝宝石衬底与GaN与外延层之间的晶格失配引发的机械应力及不同的热膨胀系数和热梯度，在大尺寸衬底上会表现的翘曲较为严重。如果翘曲比较严重，其很容易在外延生长过程中造成裂片。外延片裂片会导致整个外延片品质受到严重影响，直接造成产品报废。

为避免包含4吋或者6吋的大尺寸外延片生长过程中裂片，在这里特别提出了一种有效避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法。避免裂片的方法，主要采用的外延生长方法为优化后的缓冲层工艺结合优化后的nAlGaN层生长工艺，重点对缓冲层及nAlGaN层的外延生长方法进行搭配调试，目的在于减少包含4吋或者6吋的大尺寸外延片生长过程中，产生的应力过大造成的翘曲问题，从而避免大尺寸外延片生长过程中的裂片问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法，通过优化生长缓冲层及结合优化nAlGaN层外延生长方法，可以有效减小4吋或者6吋外延片的翘曲效应，从而使得外延片生长过程中的应力变小，最终达到避免大尺寸外延片翘曲过大造成的裂片损失。以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法，其外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、优化GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN1层、优化nAlGaN层、N型GaN2层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，其具体生长方法包括以下步骤：

（1）衬底经高温氢化后，先生长优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层，Al组分在10%-60%之间，生长时间在1-6min，生长温度在500-580℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-500；

(2) 采取超晶格进行生长优化的nAlGaN层：

(3) 优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层与nAlGaN层超晶格结构中的Al掺杂量可以进行搭配处理，调节生长过程中产生的应力，减少大尺寸外延片生长过程中产生的翘曲。

所述优化的nAlGaN层其具体生长方法包括以下步骤：

a.主要生长nAlGaN/nGaN超晶格结构;

b.其中超晶格结构中的nAlGaN层，生长温度在900-1200℃之间，生长时间在5 s -3min之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为50-1500;

c.nAlGaN中的Al组分在10%-50%之间，Al组分为采用梯度生长，包含Al组分递增或者Al组分递减；

d. 超晶格结构的循环数在3-20之间，loop数量也可以调节生长过程中产生的应力；每个周期的厚度为5nm-20nm；

e.超晶格结构中的nGaN层，生长温度在900-1200℃之间，生长时间在10s-2min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为5-500。

所述避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法过程中以高纯氢气（H₂）或氮气（N₂）作为载气。

所述避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法过程中以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH₃）分别作为Ga、Al、In和N源。

所述避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法过程中用硅烷（SiH₄）和二茂镁（CP₂Mg）分别作为N、P型掺杂剂。

与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明通过采用优化生长缓冲层及结合优化nAlGaN层外延生长方法，可以有效减小4吋或者6吋外延片的翘曲效应，从而使得外延片生长过程中的应力变小，最终达到避免大尺寸外延片翘曲过大造成的裂片损失。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法，其外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、优化GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN1层、优化nAlGaN层、N型GaN2层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，其具体生长方法包括以下步骤：

（1）衬底经高温氢化后，先生长优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层，Al组分在10%-60%之间，生长时间在1-6min，生长温度在500-580℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-500；

(2) 采取超晶格进行生长优化的nAlGaN层：

(3) 优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层与nAlGaN层超晶格结构中的Al掺杂量可以进行搭配处理，调节生长过程中产生的应力，减少大尺寸外延片生长过程中产生的翘曲。

所述优化的nAlGaN层其具体生长方法包括以下步骤：

a.主要生长nAlGaN/nGaN超晶格结构;

b.其中超晶格结构中的nAlGaN层，生长温度在900-1200℃之间，生长时间在5 s -3min之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为50-1500;

c.nAlGaN中的Al组分在10%-50%之间，Al组分为采用梯度生长，包含Al组分递增或者Al组分递减；

d. 超晶格结构的循环数在3-20之间，loop数量也可以调节生长过程中产生的应力；每个周期的厚度为5nm-20nm。

e.超晶格结构中的nGaN层，生长温度在900-1200℃之间，生长时间在10s-2min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为5-500。

所述避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法过程中以高纯氢气（H₂）或氮气（N₂）作为载气，

所述避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法过程中以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH₃）分别作为Ga、Al、In和N源。

所述避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法过程中用硅烷（SiH₄）和二茂镁（CP₂Mg）分别作为N、P型掺杂剂。

实施例1

一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法，其具体生长方法为：在高纯氢气（H₂）为载气环境中，衬底经高温氢化后，先生长优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层，Al组分为50%，生长时间为5min，生长温度控制为580℃，压力为600Torr，Ⅴ/Ⅲ比为500；之后，主要生长nAlGaN/nGaN超晶格结构，其中超晶格结构中的nAlGaN层，生长温度为1200℃，生长时间为3min，压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1500，nAlGaN中的Al组分为50%，Al组分为采用梯度生长，包含Al组分递增或者Al组分递减，超晶格结构的循环数为20，loop数量也可以调节生长过程中产生的应力；每个周期的厚度为20nm，超晶格结构中的nGaN层，生长温度为1200℃之间，生长时间为2min，压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ比为500；最后，优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层与nAlGaN层超晶格结构中的Al掺杂量可以进行搭配处理，调节生长过程中产生的应力，减少大尺寸外延片生长过程中产生的翘曲。

本实施例中以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH₃）分别作为Ga、Al、In和N源；用硅烷（SiH₄）和二茂镁（CP₂Mg）分别作为N、P型掺杂剂。

实施例2

一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法，其具体生长方法为：在高纯氢气（H₂）为载气环境中，衬底经高温氢化后，先生长优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层，Al组分为45%，生长时间为4min，生长温度控制为560℃，压力为500Torr，Ⅴ/Ⅲ比为400；之后，主要生长nAlGaN/nGaN超晶格结构，其中超晶格结构中的nAlGaN层，生长温度为1000℃，生长时间为2in，压力为400Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1500，nAlGaN中的Al组分为50%，Al组分为采用梯度生长，包含Al组分递增或者Al组分递减，超晶格结构的循环数为15，loop数量也可以调节生长过程中产生的应力；每个周期的厚度为20nm，超晶格结构中的nGaN层，生长温度为1100℃之间，生长时间为1min，压力为450Torr，Ⅴ/Ⅲ比为400；最后，优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层与nAlGaN层超晶格结构中的Al掺杂量可以进行搭配处理，调节生长过程中产生的应力，减少大尺寸外延片生长过程中产生的翘曲。

本实施例中以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH₃）分别作为Ga、Al、In和N源；用硅烷（SiH₄）和二茂镁（CP₂Mg）分别作为N、P型掺杂剂。

实施例3

一种避免大尺寸外延片裂片的外延生长方法，其具体生长方法为：在高纯氢气（H₂）为载气环境中，衬底经高温氢化后，先生长优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层，Al组分为35%，生长时间为3min，生长温度控制为540℃，压力为400Torr，Ⅴ/Ⅲ比为450；之后，主要生长nAlGaN/nGaN超晶格结构，其中超晶格结构中的nAlGaN层，生长温度为1050℃，生长时间为2in，压力为400Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1200，nAlGaN中的Al组分为40%，Al组分为采用梯度生长，包含Al组分递增或者Al组分递减，超晶格结构的循环数为18，loop数量也可以调节生长过程中产生的应力；每个周期的厚度为15nm，超晶格结构中的nGaN层，生长温度为1150℃之间，生长时间为1min，压力为450Torr，Ⅴ/Ⅲ比为400；最后，优化的AlxGa1-xN（0.2＜x＜0.8）缓冲层与nAlGaN层超晶格结构中的Al掺杂量可以进行搭配处理，调节生长过程中产生的应力，减少大尺寸外延片生长过程中产生的翘曲。

本实施例中以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH₃）分别作为Ga、Al、In和N源；用硅烷（SiH₄）和二茂镁（CP₂Mg）分别作为N、P型掺杂剂。

本发明通过采用优化生长缓冲层及结合优化nAlGaN层外延生长方法，可以有效减小4吋或者6吋外延片的翘曲效应，从而使得外延片生长过程中的应力变小，最终达到避免大尺寸外延片翘曲过大造成的裂片损失。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。