[发明专利]利用温度循环法提高GaN基LED器件工作寿命的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件加工领域。

背景技术

氮化物化合物半导体材料的能带结构属于直接间隙半导体，适宜用来制造光电器件。氮化物半导体材料的禁带宽度涵盖的面很宽，有宽达6.2eV到0.65eV，发光器件的波长可覆盖从200纳米到近2000纳米的范围。

氮化镓半导体材料是氮化物半导体材料中重要的材料，以氮化镓基化合物半导体材料制成的发光器件的波长范围由深紫外到红外光谱的范围。氮化镓基化合物半导体材料具有很好的电绝缘能力，其耐绝缘电场强度高达2x106V/cm。氮化镓基化合物半导体材料具有很好的耐高温性能，适合制造高温器件。氮化镓基化合物半导体材料中的载流子具有很高的饱和速度，高达2.7x107cm/s，是制造高频器件的好材料。氮化镓基化合物半导体材料已用来制造以下产品：LED的发光器件，用于照明或指示灯；LED激光器，用于高密度的储存、高分辨率的投影仪、表面检测等；紫外探测器，作为火焰的探测，燃烧控制，飞机诱导等；光电转换器件，作为太阳能电池、光合成等；超高频器件，用于卫星通信、高速公路交通监测指挥系统；功率型器件，用于发动机控制、大功率逆变器等器件。

氮化镓基化合物半导体材料在制造时需在衬底上进行材料的生长。

在衬底上生长氮化镓基化合物半导体材料至少要考虑到材料的晶体结构、晶格常数的匹配、热膨胀系数的匹配等因素。

在衬底上生长氮化镓基半导体材料时，通常使用有机金属气相外延的方法。该法中利用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga的原材料，以氨气(NH3)高温分解作为N的原材料，通常以低温GaN或AlN等材料作为缓冲层，在1050℃-1150℃的高温下，在缓冲层上生长氮化镓基半导体材料薄膜。

再根据制作器件的要求，生长适合器件性能的各种半导体层结构。如GaN基发光二极管，将在其上生长n-GaN、GaN/InGaN/GaN量子阱结构、电子阻挡层和p-GaN层，构成LED结构的外延层。

影响含氮化镓基LED器件的工作寿命的因素有许多种，例如氮化镓基半导体材料的质量，如晶格排列的完整性、位错的多少等都直接影响器件的性能。其中，在GaN半导体层的沉积过程中，如果发生晶体位错，则会严重降低发光器件的发光效率，并致使发光器件的发光容易衰减，器件工作寿命变短。特别是线性位错，若气相沉积过程的条件控制得不好，则会产生线性位错，该线性位错会沿半导体层的生长方向而延伸，甚至达到器件的有源层，严重地影响器件的性能。

实践中，人们通常希望通过精确控制高温气相沉积反应的反应条件，来减少线性位错的发生概率。但对反应条件的控制存在一个极限，过于精确时，对原料进料流量控制系统、温度和压力控制系统的精度和可靠性要求较高，这导致成本上升。因此，仍希望有简单可行的方法来减少GaN半导体层的位错密度，以改善GaN半导体层的晶体质量，进而提高氮化镓基发光二极管的整体寿命。

本发明则提供了这样的简单可行的减少GaN半导体层的位错密度进而提高氮化镓基发光二极管的整体寿命的方法。

发明概述

本发明的第一方面涉及利用温度循环法提高GaN基LED器件工作寿命的方法，包括以下步骤：

A.在基底(1)上采用低温气相沉积技术生长GaN缓冲层(2)，其中所述低温是500℃；

B.采用高温气相沉积技术在所述GaN缓冲层(2)上生长GaN半导体层(3)，其中所述高温是1050℃；

C.对所述GaN半导体层(3)进行至少一次温度循环处理，其中每一次温度循环中将温度从1050℃降到500℃,再升温到1055℃，然后降温到1050℃；

D.在经过温度循环处理后的GaN半导体层(3)上，继续生长后续的其它各层。

附图简述

图1是本发明的方法的加工对象蓝宝石基底的LED器件的结构示意图。

图2是本发明的方法的工艺步骤示意图，其中示例性地示出了温度循环的步骤。

附图标记列表：

图1中：

1.基底；2.GaN缓冲层；3.GaN半导体层；4.n-GaN层；5.量子阱层；6.AlGaN层；7.P-GaN层；

图2中：

oa段：升温-热清洁-降温段；ab段：低温气相沉积段，沉积GaN缓冲层；bc段：升温段；cd段：高温气相沉积段，沉积GaN半导体层；de段：第一次温度循环处理；ef段：第二次温度循环处理；fg段：第三次温度循环处理；g点以后：沉积后续其它各层。

发明详述