一种用湿法腐蚀减少GaN外延缺陷的方法

摘要

本发明提出了一种用湿法腐蚀减少GaN外延缺陷的方法，包括以下步骤：1）在蓝宝石晶片上生长非掺杂氮化镓；2）将步骤1）生长了非掺杂氮化镓的蓝宝石晶片放入熔融的碱性溶液，之后取出用离子水清洗甩干；3）将步骤2）清洗甩干后的蓝宝石晶片再进行生长；4）将GaN基键合在硅基板上，利用高温晶格失配应力剥离蓝宝石基片。本发明的一种用湿法腐蚀减少GaN外延缺陷的方法，降低GaN的缺陷密度，进一步提高LED亮度。

说明书

技术领域

本发明涉及LED外延生长技术领域，尤其涉及一种用湿法腐蚀减少GaN外延缺陷的方法。 

背景技术

GaN通常生长在蓝宝石基板上，具有相对高的缺陷密度1x10^8-9/cm²，原因是GaN和蓝宝石之间的较大的晶格失配。在LED器件特性方面，材料缺陷是一个重要的限制因素；当发光波长从蓝光延伸至紫外或绿光时，该问题变得更加严重。从已报道技术来看，解决该问题的方法是外延横向过生长（ELOG，Epitaxial Lateral Over Growth）、缺陷阻挡层(DBL，Defect Blocking Layer)和蓝宝石图形化衬底（PSS，Pattern Sapphire Substrate）。 

ELOG方法使用一种氧化物图形化的GaN模板，这可使缺陷密度降低1-2个数量级。然而，缺陷减少只发生在氧化物覆盖的区域，通常限制在3-5μm的区域，很难延伸至连续的大块区域。这就限制了该技术在实际器件中的应用。 

DBL方法是在GaN外延生长期间插入短时间的SiNx生长，此SiNx很容易在缺陷区域生长，起到屏蔽缺陷的作用；后续的GaN生长缺陷降低约一个数量级。然而，在缺陷处形成的SiNx本质上具有统计规律，所以很难控制。 

PSS方法采用三维图形阵列的蓝宝石衬底，比如圆顶形状。三维圆顶型几何图形起到两个作用或目的。第一，3D圆顶促使GaN横向生长，这里的横向生长类似于之前提到的ELOG方法，并导致缺陷减少。第二，3D圆顶几何图形可大大 地帮助光逃逸，从而增加总的光输出功率。目前，该方法已成功地应用于生产，但是它增加了大量的衬底费用。 

因此,如何有效的减少蓝宝石上GaN外延缺陷一直是业界关注的焦点,从而提高LED的发光效率。 

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种用湿法腐蚀减少GaN外延缺陷的方法，降低GaN的缺陷密度，进一步提高LED亮度。 

本发明的技术解决方案是：一种用湿法腐蚀减少GaN外延缺陷的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

1）在蓝宝石晶片上生长非掺杂氮化镓； 

2）将步骤1）生长了非掺杂氮化镓的蓝宝石晶片放入熔融的碱性溶液，之后取出用离子水清洗甩干； 

3）将步骤2）清洗甩干后的蓝宝石晶片再进行生长； 

4）将GaN基键合在硅基板上，利用高温晶格失配应力剥离蓝宝石基片。 

上述步骤1）的具体步骤是： 

1.1）将蓝宝石晶片放入MOCVD中； 

1.2）调节MOCVD中温度至500-600℃，压力600乇，使GaN在蓝宝石晶片上生长30nm； 

1.3）将MOCVD中温度升高至1000-1100℃、压力400乇，生长非掺杂氮化镓1.2um。 

上述步骤2）中蓝宝石晶片放入熔融的KOH溶液的时间是5-15分钟，KOH溶液的温度是300-400℃。 

上述步骤3）具体步骤是：将蓝宝石晶片重新放入MOCVD腔室中生长，依次生长非掺杂氮化镓、掺硅氮化镓、多量子阱和掺镁氮化镓。 

上述依次生长非掺杂氮化镓、掺硅氮化镓、多量子阱和掺镁氮化镓的具体参数是：气压400乇、温度1050℃、通入气体为三甲基镓和氨气，生成1.5-2.5um非掺杂氮化镓；气压300乇、温度1050℃、通入气体三甲基镓、氨气和N型掺杂源硅烷，生成2-3um掺硅氮化镓；气压200乇、温度950℃、通入气体为三甲基镓、氨气和P型掺杂源二茂镁，生成0.3um掺镁氮化镓；（多量子阱的参数:10对铟镓氮(InGaN3nm）/氮化镓(GaN12nm),每对的厚度为15nm;铟镓氮的生长条件为：气压300乇、温度760℃、通入气体三甲基铟、三乙基镓、氨气，生成3nm铟镓氮；氮化镓的生长条件为：气压300乇、温度865℃、通入气体三乙基镓、氨气，生成12nm氮化镓。) 

上述步骤2）中碱性溶液是KOH或NaOH。 

上述步骤2）中蓝宝石晶片放入熔融的KOH溶液的时间是10分钟，KOH溶液的温度是350℃。 

本发明提出一种通过GaN/蓝宝石界面刻蚀降低GaN缺陷密度的方法---U-GaN生长结束后，进行湿法腐蚀（磷酸+硫酸溶液或KOH湿法腐蚀）；透过GaN缺陷蚀刻至GaN/蓝宝石界面，并沿着界面蚀刻，紧接着晶圆再次进入外延设备重新进行GaN外延生长---U-GaN，从而填满U-GaN表面； 

被刻蚀的通道，重新生长的GaN會直接在刻蚀過的GaN上生长GaN，而不會在蓝宝石上生长。这样GaN部分应力被释放，重新生长的GaN會有較低的缺陷密度，此製程會在蓝宝石界面的GaN处留下倒金字塔結構，该倒金字塔結構可以增加光提取效率。用此方法生长的GaN外延优点：1）缺陷降低1-2个数量级 （从10⁹/cm²→10⁸-10⁷/cm²）；2）GaN和蓝宝石基板之間的晶格失配应力大大减少；3）增加外延电致光功率（EL-LOP@20mA）；4）利用倒装技术可剥离蓝宝石基片，进行二次外延生长。 

附图说明

图1是本发明的原理示意图； 

图2—图5是本发明的方法示意图； 

具体实施方式

本发明提供一种用湿法腐蚀减少GaN外延缺陷的方法， 

1）生长U-GaN(非掺杂氮化镓)：在2寸蓝宝石平片上用MOCVD生长30nm的低温（550℃）GaN作为缓冲层（LT-GaN），参见图2； 

1.1）将蓝宝石晶片放入MOCVD中； 

1.2）调节MOCVD中温度至500-600℃，压力600乇，使GaN在蓝宝石晶片上生长30nm； 

1.3）将MOCVD中温度升高至1000-1100℃、压力400乇，生长非掺杂氮化镓1.2um； 

2）界面湿法腐蚀：将生长了U-GaN的蓝宝石晶片放入熔融的强碱溶液； 

强碱溶液可以是KOH溶液，时间是5-15分钟，优选10分钟，温度300-400℃，优选350℃，并用去离子水清洗甩干，如图3所示；其他强碱性溶液也可以，如NaOH；此步骤的作用通过腐蚀U-GaN（非掺杂氮化镓）表面的缺陷，使蓝宝石界面处的氮化镓也被KOH腐蚀，从而在界面处氮化镓形成倒金字塔形状。其目的是在U-GaN表面形成腐蚀孔、在界面处形成倒金字塔形状。 

3）LED结构层生长：将腐蚀后的U-GaN蓝宝石晶片重新放入MOCVD腔室中 生长，依次生长非掺杂氮化镓、掺硅氮化镓、多量子阱和掺镁氮化镓，如图4所示；依次生长非掺杂氮化镓、掺硅氮化镓、多量子阱和掺镁氮化镓的具体参数是：气压400乇、温度1050℃、通入气体为三甲基镓和氨气，生成1.5-2.5um非掺杂氮化镓；气压300乇、温度1050℃、通入气体三甲基镓、氨气和N型掺杂源硅烷，生成2-3um掺硅氮化镓；气压200乇、温度950℃、通入气体为三甲基镓、氨气和P型掺杂源二茂镁，生成0.3um掺镁氮化镓；（多量子阱的参数:10对铟镓氮(InGaN3nm）/氮化镓(GaN12nm),每对的厚度为15nm;铟镓氮的生长条件为：气压300乇、温度760℃、通入气体三甲基铟、三乙基镓、氨气，生成3nm铟镓氮；氮化镓的生长条件为：气压300乇、温度865℃、通入气体三乙基镓、氨气，生成12nm氮化镓。) 

4）蓝宝石倒装剥离：利用倒装技术（高温金属键合工艺）将GaN基键合在硅基板上，并利用高温晶格失配应力剥离蓝宝石基片，可进行二次GaN生长，如图5所示。