本发明专利技术是有关于一种氮化镓系半导体发光器件的外延制作方法，包括如下步骤：在图形化衬底表面低温生长成核层；对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面；在带有颗粒状晶核的图形化衬底表面依次生长非掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有凹凸不平表面的LED有源层结构：继续采用与前一步骤相同的工艺生长表面结构层，从而获得呈现有凹凸不平的表面结构层。与传统的LED器件衬底结构相比，本发明专利技术的优点是有效地提高半导体发光器件的发光效率和光提取效率，降低位错密度，进而提高了器件的光电性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种氮化镓系半导体发光器件的外延制作方法，属于半导体发光
技术介绍
在半导体发光以及照明等领域，以氮化镓及其他III族氮化物为代表的宽禁带半导体材料逐渐成为研究的热门材料,由氮化镓系半导体材料制作的LED蓝绿光发光二极管已经成功研制和应用，并以其高效，长寿命，环保等优点而广受关注，应用在诸如室外全彩大屏显示，LED路灯，汽车日间行车灯，交通指示灯等方面。另外室温下寿命超过1000小时的2mw短波段氮化镓系半导体激光器也已经实验成功，理论寿命估计可达10000小时以上，这意味着在未来的发展中，宽禁带半导体材料制作的·发光器件可以应用于激光打印机，大容量信息存储，水下通讯等方面，其前景十分广阔。虽然氮化镓系蓝绿光LED已经广泛应用，但是成本和技术上，仍然存在一些需要解决的问题。如异质外延的晶体质量差，缺陷密度大和光出射效率低等。由于材料本身性质以及异质外延晶格失配等原因，有源区中极化效应十分明显，产生例如量子限制斯塔克效应(QCSE)等问题。另外氮化镓系材料折射率高于通常使用的衬底或芯片封装材料，这导致器件的光提取比较困难。以上这些问题的存在，使器件性能恶化，寿命缩短，发光效率降低，光提取效率低等，制约了氮化镓系材料的快速发展和应用。氮化镓是典型的III族氮化物材料，自然界中很难找到氮化镓晶体，又由于其本身的材料特性，无法利用传统拉单晶等工艺来制作大面积的氮化镓晶圆衬底。目前制作氮化镓系发光器件，是通过在A1203、SiC、Si等异质衬底上，采用MOCVD、MBE或HVPE等手段外延氮化镓系材料来实现加工。通过异质外延生长出来的氮化镓系材料，由于其与衬底之间晶格常数有差别，热膨胀系数不一致等原因，在外延层中会存在大量的残余应力和晶体缺陷，这会使晶体质量下降，晶体内部会存在大量的位错。虽然有研究发现在衬底上外延氮化镓系材料之前先生长一层缓冲层以释放晶格应力,但是这种方法仍然无法彻底补偿晶格失配问题,外延层中仍然存在大量的缺陷。在降低晶体缺陷的研究中侧向外延技术(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO)被广为关注，通过这种技术，室温下持续工作超过1000小时的2mW短波段氮化镓系半导体激光器已经被展示出来。在此基础上，人们又发展了一阶侧向外延技术,悬空外延技术，二阶侧向外延技术等方法。但是这些方法都有自己不足的地方，例如，外延层产生倾斜，多次外延会出现表面沾污等问题。在进一步的研究中，在侧向外延的基础上，出现了图形化衬底技术，这种技术改善了二次外延出现的一些问题，并提高了器件的光提取效率。在传统工艺中，在图形化衬底表面进行外延时，都是采用加快侧向外延速率，使得外延层表面尽量平整，并进行其他器件结构的生长。氮化镓系材料是极性半导体材料，晶体在特定的方向上(如方向)体现出自发极化。另外为了制作多量子阱结构，组成有源区的外延层都是异质外延产生的薄膜，由于异质外延会产生晶格不匹配等问题，造成薄膜受到应力作用并使有源区内产生强的压电电场。压电电场和自发极化电场的存在使器件的光电性能受到不良影响。改良的技术包括非极性面或半极性面衬底外延技术等。·氮化镓的折射率比蓝宝石衬底的折射率要高，因此只有少部分光可以从氮化镓与衬底蓝宝石衬底交界面发射出去，而器件的正表面封装后与树脂接触，多数封装树脂材料折射率比氮化镓要低，因此，光线很容易由于全反射等原因被反射回来，在衬底界面与电极之间来回反射，直到被氮化镓材料吸收掉，因而发光器件的光提取效率很低。附图I所示即为现有技术中一种图形化外延片的结构示意图，包括衬底101、图形层102、覆盖层103、N型GaN层104、有源层105、P型GaN层106以及结构层107，显然，所述结构层107的表面是平坦的，故光线很容易由于全反射等原因在这一层被反射回来，直到被N型GaN层104、有源层105以及P型GaN层106等吸收掉。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，通过采取这种方法，可以提闻外延结构与衬底交界面处的光提取效率，提闻芯片表面的光提取效率，降低外延层中的位错密度，减弱有源区中极化效应，提高器件发光效率。为了解决上述问题，本专利技术的技术方案包括如下步骤在图形化衬底表面低温生长成核层；对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面；在带有颗粒状晶核的图形化衬底表面依次生长非掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有凹凸不平表面的LED有源层结构继续采用与前一步骤相同的工艺生长表面结构层，从而获得呈现有凹凸不平的表面结构层。本专利技术利用图形衬底上GaN基材料生长技术中侧向和纵向生长速率可控的特点，在生长初期，外延材料首先在图形衬底的势能最低点处，即图形衬底的突出形状的周围或凹陷处成核生长，其成核层在完成500°C飞50°C低温生长以后，进行900°C 1100°C高温退火处理，经退火后在衬底表面形成大量的颗粒状晶核，这些晶核是具有弱极性面的GaN外延层。由于侧向和纵向的生长速率比可以通过反应室的生长条件来控制，通过控制生长条件生长温度，生长压力，和V/III比等参数来控制晶核的纵向生长速率(垂直于外延衬底平面)高于横向生长速率(平行于外延衬底平面)，当相邻颗粒状晶核侧向外延部分两两相结合时，使得外延生长面上形成有显示出氮化镓系半导体晶体不同晶面的凹凸不平的岛状结构，即形成非平面的，凹凸不平的GaN外延层，然后在此凹凸不平的结构上继续生长其它结构。本专利技术所述的氮化镓基发光二极管外延片结构在图形化衬底表面从下至上依次包括成核层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、P型AlGaN层、P型GaN层以及表面结构层。可选的，所述的图形化衬底，可以由A1203、SiC、Si、GaAs, LiAlO2, MgAl2O4,ScMgAlO4^ZnO以及适合于氮化镓系半导体材料外延生长的衬底加工制作而成。图形化衬底其图形结构可以是规则排列的周期条形突出形状，周期条形凹陷形状，周期的球形凹陷结构，周期的球形突出结构，或是金字塔形结构，衬底表面可以是晶体的极性面也可以是晶体 的非极性面或半极性面。可选的，所述的成核层材料为AlxInyGai_x_yN，其中O彡X彡1，0彡Y彡I。成核层低温生长厚度为15nnTl00nm之间，且表面平整，高温处理后，表面连续的成核层变为大量的岛状颗粒晶核，岛直径约为150nnT500nm之间，高度约为60nnT500nm之间,排列于图形衬底突出形状的周边或图形衬底凹陷形状的凹陷处。可选的，所述的有源层采用3 10个周期的InGaN/GaN多量子阱，制作在由衬底表面岛状颗粒结构“复制”上来的具有凹凸不平表面的N型GaN层上面。可选的，所述的P型掺杂剂选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一种,所述N型掺杂剂选自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一种。本专利技术采用低压金属有机化学气相沉积系统(LP-MOCVD)设备，利用高纯H2和N2作为载气，进行LED外延片的制备。传统氮化镓系发光器件在完成成核层结构后，都会加快横向外延速率，使晶核颗粒尽快横向生长并融合在一起，获得平整的氮化镓表面，并在此表面本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氮化镓系半导体发光器件外延片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：在图形化衬底表面低温生长成核层；对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面；在带有颗粒状晶核的图形化衬底表面依次生长非掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有凹凸不平表面的LED有源层结构：继续采用与前一步骤相同的工艺生长表面结构层，从而获得呈现有凹凸不平的表面结构层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐琦，
申请(专利权)人：马鞍山圆融光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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