一種發(fā)光元件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種發(fā)光元件的制備方法，生長氮化鎵于已鍍制AlN的平片或圖形襯底上，再進(jìn)行H2氛圍退火處理或H2氛圍與NH3氛圍組合式熱處理藉此改變及緩沖材料間應(yīng)力的問題，進(jìn)而改善此應(yīng)力所造成的外延片翹曲，提高發(fā)光元件的外延質(zhì)量，提升發(fā)光元件的發(fā)光效率。
【專利說明】一種發(fā)光兀件的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)光二極管制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種發(fā)光元件的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于IXD背光、戶外顯示、景觀照明以及普通照明等領(lǐng)域。目前主要的藍(lán)、綠光發(fā)光器件為氮化物半導(dǎo)體，其外延生長主要有同質(zhì)外延生長和異質(zhì)外延生長，同質(zhì)外延生長采用與氮化物半導(dǎo)體晶格匹配的襯底進(jìn)行生長，如GaN襯底，異質(zhì)外延生長采用與氮化物半導(dǎo)體晶格失配的襯底進(jìn)行生長，如藍(lán)寶石襯底、硅襯底等。
[0003]由于同質(zhì)外延生長襯底一般成本較高，目前主要以異質(zhì)外延生長襯底為主。由于異質(zhì)襯底與氮化物半導(dǎo)體層彼此間的晶格應(yīng)力相當(dāng)大，目前工藝常在襯底上生長一氮化(鋁)鎵的低溫非晶格層，隨之再生長高質(zhì)量氮化鎵層藉此將應(yīng)立即產(chǎn)生的缺陷逐步改善。但是采用該方法形成的外延結(jié)構(gòu)的缺陷密度仍高達(dá)IX 108?IX KTcnT2，且造成載流子泄漏和非輻射復(fù)合中心的增多，降低了器件的內(nèi)量子效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種發(fā)光元件的制備方法，生長氮化鎵于已鍍制A1N的平片或圖形襯底上，再進(jìn)行特殊的熱處理藉此改善材料間應(yīng)力的問題，進(jìn)而改善此應(yīng)力所造成的外延片翹曲，提高發(fā)光元件的外延質(zhì)量，改善發(fā)光元件的發(fā)光效率。
[0005]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案為:一種發(fā)光元件的制備方法，包括步驟:1)提供襯底；2)利用PVD法在所述襯底表面沉積A1N層；3)打開金屬源和NH3，利用M0CVD法在所述A1N層表面沉積AlxGai_xN (0 ( χ<1) ；4)對(duì)AlxGai_xN層進(jìn)行退火處理，形成不規(guī)則狀形貌AlxGai_xN或島狀形貌AlxGai_xN層，具體為:關(guān)閉金屬源和NH3，保持H2持續(xù)通入，升高腔室溫度，在H2氛圍中對(duì)AlxGai_xN層進(jìn)行退火處理；接著持續(xù)升高溫度并在H2通入的條件下再通入NH3，在NH3氛圍中繼續(xù)對(duì)AlxGai_xN層進(jìn)行退火處理；5)在所述退火后的AlxGai_xN層表面沉積GaN層；6)在所述GaN層表面沉積η型層、發(fā)光層和Ρ型層。
[0006]優(yōu)選地，所述4氛圍退火溫度為400?1200°C，時(shí)間為100?600s。
[0007]優(yōu)選地，所述NH3/H2混合氛圍退火溫度為400?1200°C，時(shí)間為100?500s。
[0008]優(yōu)選地，所述H2氛圍退火設(shè)定時(shí)間與NH3/H2混合氛圍退火時(shí)間之和為200s?600so
[0009]優(yōu)選地，所述AlxGai_xN層生長溫度為400?600°C。
[0010]優(yōu)選地，所述AlxGai_xN層厚度為10?1000埃。
[0011]優(yōu)選地，所述A1N層厚度為10?350埃。
[0012]優(yōu)選地，所述退火處理結(jié)束后調(diào)節(jié)腔室溫度為950?1150°C沉積GaN層。
[0013]優(yōu)選地，所述襯底為平片、凸?fàn)顖D形化襯底或凹狀圖形化襯底。
[0014]本發(fā)明解決上述問題的另一技術(shù)方案為:一種發(fā)光元件的制備方法，包括步驟:1)提供襯底；2)利用PVD法在所述襯底表面沉積A1N層；3)打開金屬源和NH3，利用MOCVD法在所述A1N層表面沉積AlxGai_xN (0 < x〈l)層；4)對(duì)所述AlxGai_xN層進(jìn)行退火處理，形成不規(guī)則狀形貌AlxGai_xN層或島狀形貌AlxGai_xN層，具體為:關(guān)閉金屬源和NH3，保持H2持續(xù)通入，升高腔室溫度，在H2氛圍中對(duì)所述AlxGai_xN層進(jìn)行退火處理；5)在所述退火后的AipahN層表面沉積GaN層；6)在所述GaN層表面沉積η型層、發(fā)光層和Ρ型層。
[0015]優(yōu)選地，所述Η2氛圍退火設(shè)定溫度為400?1200°C，設(shè)定升溫時(shí)間為100?500s。
[0016]優(yōu)選地，所述AlxGai_xN層生長溫度為400?600°C。
[0017]優(yōu)選地，所述AlxGai_xN層厚度為10?1000埃。
[0018]優(yōu)選地，所述A1N層厚度為10?350埃。
[0019]優(yōu)選地，所述退火處理結(jié)束后調(diào)節(jié)腔室溫度為950?1150°C沉積GaN層。
[0020]優(yōu)選地，所述襯底為平片、凸?fàn)顖D形化襯底或凹狀圖形化襯底。
[0021]本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明方法中，通過對(duì)AlxGai_xN (0 ( x〈l)層實(shí)行退火處理，使該層表面形成不規(guī)則狀形貌或島狀形貌，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)節(jié)不同氛圍的退火時(shí)間及溫度，強(qiáng)化該層對(duì)應(yīng)力的緩沖范圍，有效地處理AlxGai_xN (0 ( x〈l)層與A1N層接口問題，改善應(yīng)力所造成的外延片翹曲，提升波長均勻性問題，尤其是對(duì)于大尺寸外延片，其提升效果更為明顯；進(jìn)而最終降低成本提高產(chǎn)品的有效輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0023]圖1為本發(fā)明之實(shí)施例一的生長AlxGai_xN (0 ( x〈l)層后結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明之實(shí)施例一中退火處理后AlxGai_xN (0 ( x〈l)層表面形貌示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明之實(shí)施例一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4為本發(fā)明之實(shí)施例1和實(shí)施例3中隨著時(shí)間的變化，NH3、金屬源、H2閥件開(on)關(guān)(off)狀態(tài)以及溫度變化之間的關(guān)系示意圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)上半軸表示溫度數(shù)量，下半軸表示生長物質(zhì)通入狀況。
[0027]圖5為本發(fā)明實(shí)施例二中退火處理后AlxGai_xN (0 ( x〈l)層表面形貌示意圖。
[0028]圖6為本發(fā)明之實(shí)施例2和實(shí)施例4中隨著時(shí)間的變化，NH3、金屬源、H2閥件開(on)關(guān)(off)狀態(tài)以及溫度變化之間的關(guān)系示意圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)上半軸表示溫度數(shù)量，下半軸表示生長物質(zhì)通入狀況。
[0029]圖7為本發(fā)明之實(shí)施例三的生長AlxGai_xN (0 ( x〈l)層后結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖8為本發(fā)明之實(shí)施例三中退火處理后AlxGai_xN (0 ( x〈l)層表面形貌示意圖。
[0031]圖9為本發(fā)明之實(shí)施例三發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖10為本發(fā)明實(shí)施例四中退火處理后AlxGai_xN (0 ( x〈l)層表面形貌示意圖。
[0033]圖中:1.襯底；11.襯底圖形底部間隔面；12.襯底圖形頂面；13.襯底圖形側(cè)壁；2.A1N 膜層；3.AlxGai_xN (0 彡 x〈l)層；4.GaN 層；5.η 型 GaN 層；6.發(fā)光層；7.ρ型GaN層。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0035]實(shí)施例1
附圖1?4公開了本發(fā)明第一個(gè)較佳實(shí)施例，。一種發(fā)光元件的制備方法，首先提供襯底1，可為藍(lán)寶石、硅、碳化硅等，此處優(yōu)選藍(lán)寶石平片襯底，將其置入PVD腔室，調(diào)節(jié)腔室溫度為300?600°C，壓力為2?lOmtorr，利用PVD法沉積厚度為10?350nm的A1N膜層2，沉積結(jié)束后將鍍有A1N膜層2的襯底轉(zhuǎn)入CVD腔室，并調(diào)節(jié)腔室溫度為400?600°C，通入金屬源、NH3、H2外延生長AlxGai_xN (0彡x〈l)層3，該層厚度為10?1000埃，覆蓋于襯底表面，圖1顯不了生長AlxGa^N (0 ^ x〈l)層后結(jié)構(gòu)不意圖。
[0036]在AlxGai_xN (0彡x〈l)層3沉積結(jié)束后，進(jìn)行退火處理使AlxGai_xN (0彡x〈l)層3形成不規(guī)則狀形貌或島狀形貌，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖4為本實(shí)施之發(fā)光元件制備過程中隨著時(shí)間的變化，NH3、金屬源、H2閥件開(on)/關(guān)(off)狀態(tài)以及溫度變化之間的關(guān)系示意圖，其顯示了退火步驟中反應(yīng)腔的通入源和溫度變化。在本實(shí)施例中，采用比氛圍與NH3氛圍組合式的退火處理方法，包括退火步驟，具體如下:首先在H2仍通入狀態(tài)下關(guān)閉金屬源及NH3，將腔室溫度在5?500s內(nèi)由AlxGai_xN (0 ( x〈l)層3的生長溫度(400?600°C )升高至400?1200°C，進(jìn)行第一階段退火處理，此H2氛圍退火處理步驟中，優(yōu)選升溫速率為180?220s內(nèi)由500°C升溫至850°C ;隨后通入NH3，持續(xù)升溫至400?1200°C進(jìn)行第二階段退火處理，此NH3氛圍退火處理步驟中，優(yōu)選升溫速率為180?210s內(nèi)由850°C升溫至120(TC，最終形成不規(guī)則形貌。
[0037]隨后調(diào)節(jié)腔室溫度為950?1150°C，通入金屬源在此不規(guī)則狀或島狀面上繼沉積GaN層4,在GaN層4上沉積η型層5、發(fā)光層6和Ρ型層7,其結(jié)構(gòu)不意圖如圖3所不。
[0038]本實(shí)例中，Α1Ν膜層2采用具有等向性沉積特性的PVD法鍍制所得，具有多晶格特性，其晶格質(zhì)量和均勻性優(yōu)于一般M0CVD所生長的低溫緩沖層，故在此膜層生長AlxGai_xN(0 ( x〈l)層時(shí)3，其材料致密性及均勻性均優(yōu)于在襯底上生長的AlxGai_xN (0 ( x〈l)層，當(dāng)使用常規(guī)高溫退火條件時(shí)，無法達(dá)到理想的重結(jié)晶形貌，雖然可以緩沖部分GaN層4與A1N膜層2間的晶格匹配差異造成的應(yīng)力異常，但其緩沖能力卻有所限制，無法更好的改善其應(yīng)力造成的外延片翹曲異常，故本實(shí)施例中采用H2氛圍與NH3氛圍組合式的退火處理方法。在退火過程中，加入純H2氛圍退火條件，其蝕刻程度強(qiáng)于純NH3氛圍的退火處理，故可促使AlxGai_xN層3表面形成不規(guī)則狀或島狀形貌(參看附圖2)，可以有效降低后續(xù)外延層與A1N膜層2間的應(yīng)力，改善其應(yīng)力造成的外延片翹曲異常，提高發(fā)光元件的外延層質(zhì)量，改善外延片的波長均勻性，增加發(fā)光元件的發(fā)光效率。
[0039]實(shí)施例2
參看附圖5和6，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:退火處理過程為全H2氛圍，即在H2仍通入狀態(tài)下關(guān)閉金屬源及NH3，將腔室溫度在5?500s內(nèi)由AlxGai_xN (0 ( x〈l)層3的生長溫度(400?600)升高至400?1200°C，進(jìn)行退火處理，此H2氛圍退火處理步驟中，優(yōu)選升溫速率為400?450s內(nèi)由500°C升溫至1200°C ;因?yàn)镠2蝕刻強(qiáng)度較NH3更為明顯，故在升溫時(shí)，AlxGai_xN (0 < x〈l)層3進(jìn)行重結(jié)晶，同時(shí)H2對(duì)所形成的AlxGai_xN層3進(jìn)行蝕亥IJ，當(dāng)部分厚度偏薄的AlxGai_xN層3被蝕刻完而暴露出下層A1N膜層2時(shí)，H2持續(xù)蝕刻A1N膜層2，使其表面形成過蝕刻的不平狀形貌，則后續(xù)沉積GaN層4時(shí)，過蝕刻的A1N膜層表面GaN層4生長速率低于退火后的島狀或不規(guī)則狀A(yù)lxGai_xN層3表面的GaN層4的生長速率，從而有效緩沖后續(xù)外延層與A1N膜層2間應(yīng)力。
[0040]實(shí)施例3
請(qǐng)參看附圖7?9，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，采用圖形化襯底1，優(yōu)選凸?fàn)顖D形化襯底，其可為濕法蝕刻制備或干法蝕刻制備形成的平臺(tái)型、錐形或柱形等凸起的周期性排列圖形。首先將圖形化襯底1置入PVD腔室，沉積A1N膜層2，后將鍍有A1N膜層2的襯底轉(zhuǎn)入CVD腔室，外延生長AlxGai_xN (0<χ〈1)層3，覆蓋于襯底圖形的底部間隔面11、圖形頂面12及側(cè)壁13處，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。接著采用H2氛圍與NH3氛圍組合式進(jìn)行退火處理，具體退火方法和條件可參考實(shí)施例1，利用H2的較強(qiáng)蝕刻性能及高溫度條件對(duì)圖形的底部間隔面、圖形頂面及側(cè)壁的的AlxGai_xN層3實(shí)行蝕刻和重結(jié)晶，因圖形側(cè)壁及頂部的AlxGai_xN層厚度較圖形底部間隔面的AlxGai_xN層偏薄，故經(jīng)此步驟處理后，圖形側(cè)壁及頂面的AlxGai_xN層可有效被去除，而圖形底部間隔面的AlxGai_xN層則經(jīng)過蝕刻及重結(jié)晶形成不規(guī)則狀或島狀形貌，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。最后，在不規(guī)則狀或島狀形貌的AlxGai_xN層3上繼續(xù)生長GaN層4，在GaN層4上沉積η型層5、發(fā)光層6和Ρ型層7，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。
[0041]在本實(shí)施例中，在圖形化襯底1上依次形成Α1Ν膜層2和AlxGai_xN層3后，如果繼續(xù)外延生長GaN層4，則圖形底部間隔處11與頂面12、側(cè)壁處13容易進(jìn)行競相生長，使得后續(xù)外延層表面及內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，造成漏電流增加，影響發(fā)光元件的質(zhì)量；而如果采用常規(guī)高溫退火處理(即在NH3氛圍中進(jìn)行退火處理)，亦無法有效清除側(cè)壁及頂面的AlxGai_xN層3，且圖形間隔處的AlxGai_xN層也無法形成有效的蝕刻及重結(jié)晶層；而本實(shí)施例中，采用采用4氛圍與NH3氛圍組合式進(jìn)行退火處理，圖形側(cè)壁及頂面的AlxGai_xN層可有效被去除，而圖形底部間隔面的AlxGai_xN層3則經(jīng)過蝕刻及重結(jié)晶形成不規(guī)則狀或島狀形貌，后續(xù)再繼續(xù)沉積外延層時(shí)，有效緩沖其與A1N膜層2之間的應(yīng)力，并改善競相生長產(chǎn)生的缺陷，減少漏電流異常，提高發(fā)光元件的晶體質(zhì)量，提升發(fā)光效率。
[0042]當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要的AlxGai_xN層3退火后的具體形貌，可靈活調(diào)節(jié)H2氛圍與NH3氛圍的處理時(shí)間及處理溫度組合，得到所需退火后的AlxGai_xN層表面形貌狀態(tài)，達(dá)到最佳緩沖應(yīng)力效果。
[0043]實(shí)施例4
請(qǐng)參看附圖10，本實(shí)施例與實(shí)施例2的區(qū)別在于，所提供襯底1為圖形化襯底，在此圖形化襯底表面依序進(jìn)行實(shí)施例2的生長及退火步驟。
[0044]應(yīng)當(dāng)理解的是，上述具體實(shí)施方案為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的范圍不限于該實(shí)施例，凡依本發(fā)明所做的任何變更，皆屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光兀件的制備方法，包括， 1)提供襯底； 2)利用PVD法在所述襯底表面沉積AlN層； 3)通入金屬源和NH3，利用MOCVD法在所述AlN層表面沉積AlxGa^N(O彡x〈l)層； 4)對(duì)所述AlxGa1J層進(jìn)行退火處理，形成不規(guī)則狀形貌AlxGa1J層或島狀形貌AlxGa1J層，具體為:關(guān)閉金屬源和NH3,保持H2持續(xù)通入，升高腔室溫度，在H2氛圍中對(duì)所述AlxGa1J層進(jìn)行退火處理；后持續(xù)升高溫度并在H2通入的條件下再通入NH3,在NH3/H2混合氛圍中繼續(xù)對(duì)所述AlxGahN層進(jìn)行退火處理； 5)在所述退火后的AlxGahN層表面沉積GaN層； 6 )在所述GaN層表面沉積η型層、發(fā)光層和P型層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述H2氛圍退火溫度為400?1200°C，時(shí)間為100?600s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述NH3/H2混合氛圍退火溫度為400?1200°C，時(shí)間為100?500s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述H2氛圍退火設(shè)定時(shí)間與NH3/H2混合氛圍退火時(shí)間之和為200s?600s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述AlxGahN(O ( x〈l)層生長溫度為400?600°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述AlxGahN(O ( x〈l)層厚度為10?1000埃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述AlN層厚度為10?350埃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述退火處理結(jié)束后調(diào)節(jié)腔室溫度為950?1150°C沉積GaN層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述襯底為平片、凸?fàn)顖D形化襯底或凹狀圖形化襯底。
10.一種發(fā)光兀件的制備方法，包括， 1)提供襯底； 2)利用PVD法在所述襯底表面沉積AlN層； 3)通入金屬源和NH3，利用MOCVD法在所述AlN層表面沉積AlxGa^N(O彡x〈l)層； 4)對(duì)所述AlxGa1J層進(jìn)行退火處理，形成不規(guī)則狀形貌AlxGa1J層或島狀形貌AlxGa1J層，具體為:關(guān)閉金屬源和NH3,保持H2持續(xù)通入，升高腔室溫度，在H2氛圍中對(duì)所述AlxGa^N層進(jìn)行退火處理； 5)在所述退火后的AlxGahN層表面沉積GaN層； 6 )在所述GaN層表面沉積η型層、發(fā)光層和P型層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述H2氛圍退火溫度為400?1200°C，時(shí)間為100?600s。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述AlxGa1J(O ( x〈l)層生長溫度為400?600°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述AlxGa1J(O ( x〈l)層厚度為10?1000埃。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述AlN層厚度為10?350埃。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述退火處理結(jié)束后調(diào)節(jié)腔室溫度為950?1150°C沉積GaN層。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種發(fā)光元件的制備方法，其特征在于:所述襯底為平片、凸?fàn)顖D形化襯底或凹狀圖形化襯底。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK104393125SQ201410780653
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】李政鴻, 周圣偉, 林繼宏, 林兓兓, 張家宏 申請(qǐng)人:安徽三安光電有限公司