專利名稱：Mocvd生長氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GaN為基的III-V族氮化物材料的有機(jī)金屬氣相淀積(MOCVD)外延生長方法，尤其是涉及氮化物多量子阱藍(lán)色、綠色和紫色發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的生長。
背景技術(shù)：
以GaN為基的半導(dǎo)體材料，具有從1.95到6.4eV的帶隙，其發(fā)光波長幾乎覆蓋了整個可見光區(qū)，由于其巨大的應(yīng)用前景而得到了廣泛的研究和開發(fā)。尤其是以這種新型半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的藍(lán)色、綠色、紫色和白色二極管的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用。目前，GaN為基半導(dǎo)體材料和器件的外延生長最主要、最有效和最廣泛的是MOCVD技術(shù)。
在MOCVD生長氮化物(GaN，AlN，InN及它們的合金)技術(shù)中，由于沒有與GaN晶格匹配的襯底材料，通常采用藍(lán)寶石為襯底的異質(zhì)外延。由于在藍(lán)寶石和氮化物之間存在大的晶格失配(～13.8％)和熱膨脹系數(shù)的差異，使得生長沒有龜裂、表面平整的高質(zhì)量氮化物非常困難?，F(xiàn)已證實(shí)最有效的外延生長通常采用兩步外延方法。如文獻(xiàn)H.Amano，N.Sawaki，and Y.Toyoda，Appl.Phys.Lett.48(5)，353(1986)和S.Nakamura，Jpn.J.Appl.Phys.30，L1708(1991)就介紹了這種方法。即先在低溫下，如500℃左右生長一很薄成核層，對GaN成核層其優(yōu)化厚度為25納米。然后升溫退火，通常到1000℃以上的某一溫度再以高生長速率直接生長GaN緩沖層。在該緩沖層的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行LED等器件結(jié)構(gòu)的外延生長。
低溫生長的GaN成核層通常是柱狀或島狀的多晶薄層，是一個三維生長過程。升溫退火后，通過結(jié)晶演化，變?yōu)槿∠蜈呌谝恢?、非原子級粗糙薄層。而高質(zhì)量的材料和器件結(jié)構(gòu)通常只有二維生長才能得到。如何實(shí)現(xiàn)由三維生長轉(zhuǎn)化為二維生長，將直接影響外延層的質(zhì)量和器件的性能。GaN生長希望有合理的生長速率，一般大于2微米/小時。這樣，有助于提高原材料和設(shè)備的利用率。目前的氮化物生長技術(shù)主要利用上述成核層的作用，通常米用在成核層上直接生長緩沖層的辦法，自然生長平滑。這樣需要較長的生長時間，同時引入很多位錯等缺陷。因此，緩沖層一開始生長過快不利于橫向生長連接，為了實(shí)現(xiàn)生長初期橫向連接快于垂直生長，盡快把成核層長平，進(jìn)入二維生長過程，增加一變速生長的緩沖層將更好的實(shí)現(xiàn)這一目的。而且其變化速率選擇也可能將對GaN緩沖層質(zhì)量和其上的LED結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生重要影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種MOCVD生長氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的方法，它可有效實(shí)現(xiàn)三維生長向二維生長過渡，以提高外延生長的氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的質(zhì)量和發(fā)光強(qiáng)度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用MOCVD技術(shù)，利用高純NH3做N源，高純H2或N2做載氣，三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)和三甲基銦(TMIn)分別做Ga源和In源；N型摻雜劑為硅烷(SiH4)，P型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg)；襯底為(0001)藍(lán)寶石(Al2O3)；反應(yīng)室壓力為100-500毫巴；首先，在MOCVD反應(yīng)室中把藍(lán)寶石襯底加熱到1200℃，氫氣下高溫處理，H2流量可以在2-10升/分鐘；然后溫度降低到490-550℃生長GaN成核層，約25納米，TMGa流量在2-10×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為3-6升/分鐘；其后，將生長溫度升高到1100-1180℃對成核層進(jìn)行退火，退火時間在1到8分鐘之間；退火后，在最后的退火溫度下，通過線性變化TMGa的流量，開始變速率外延生長GaN緩沖層，厚度約為10-100納米，TMGa流量從0到2×10-4摩爾/分鐘，NH3流量為3-6升/分鐘；在這之后，勻速生長一厚度為2-4微米的GaN緩沖層，TMGa流量為1-2.5×10-4摩爾/分鐘，NH3流量為3-8升/分鐘；然后在該緩沖層上外延生長器件結(jié)構(gòu)，并通過在其上生長InGaN/GaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)，對變化速率進(jìn)行了優(yōu)化；InGaN/GaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)由3-5個InGaN/GaN量子阱及其上面的Mg摻雜GaN層組成；InGaN阱的厚度為2-5納米，GaN壘的厚度為6-15納米，生長溫度可在750-850℃之間，TMIn的流量為1.0-2.5×10-5摩爾/分鐘，TEGa的流量為1-3×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為10-20升/分鐘，N2為載氣；Mg摻雜GaN層在1010-1070℃生長，高純H2或N2或它們的混合氣體做載氣，二茂鎂(Cp2Mg)的摻雜流量為1.5-4×10-7摩爾/分鐘，NH3流量為3-6升/分鐘，厚度為150-300納米。
采用上述方法進(jìn)行變速生長時，可先設(shè)定起始TMGa流量為0-6.6×10-5摩爾/分鐘，終止TMGa流量為1-1.77×10-4摩爾/分鐘。通過改變從起始TMGa流量值到終止TMGa流量值的時間，來優(yōu)化變速生長過程。選取該時間分別為1分鐘、1分鐘20秒、1分鐘30秒、1分鐘40秒、2分鐘和5分鐘。
采用變速生長生長一薄的緩沖層，可使XRC搖擺曲線半寬減小，并在時間為1分鐘30秒時達(dá)到最小，這表明后續(xù)生長材料的質(zhì)量得到明顯提高。
采用變速生長生長一薄的緩沖層后，后續(xù)生長的LED發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。隨著變速生長時間從1分鐘到5分鐘變化，發(fā)光強(qiáng)度先增加后減小，并在時間為1分鐘30秒時達(dá)到最大。與直接生長相比，發(fā)光強(qiáng)度提高了2.5至4.6倍。
總之，本方法通過加入一優(yōu)化的變生長速率緩沖薄層，有效實(shí)現(xiàn)三維生長向二維生長過渡，提高了外延層質(zhì)量，改善了器件性能，把LED的發(fā)光強(qiáng)度提高了4.6倍。本方法簡單，十分容易操作，是一種有效的提高材料和器件質(zhì)量和性能的簡易方法。


圖1是InGaN/GaN多量子阱LED外延片結(jié)構(gòu)；其中1-Mg摻雜GaN層；2-InGaN/GaN多量子阱層；3-Si摻雜GaN層；4-非故意摻雜GaN緩沖層；5-GaN變速生長緩沖層；6-GaN低溫成核層；7-藍(lán)寶石襯底。
圖2是包含變速生長層的InGaN/GaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)外延片生長過程；其中A-氫氣下高溫處理襯底；B-低溫成核層生長；C-成核層升溫退火；D-變速生長緩沖層生長；E-高溫緩沖層生長；F-多量子阱生長；G-Mg摻雜層生長。
圖3是變速生長層生長過程；其中B-低溫成核層生長；C-成核層升溫退火；D-變速生長緩沖層生長；E-高溫緩沖層生長。
圖4是高溫GaN緩沖層XRC搖擺曲線半寬隨變速生長時間的變化；
其中M-無變速生長層；N-有變速生長層時，隨變速生長時間的變化。
圖5是LED外延片歸一化發(fā)光強(qiáng)度隨變速生長時間的變化；其中P-無變速生長層；Q-有變速生長層時，隨變速生長時間的變化。
具體實(shí)施例方式
以下所述實(shí)施例詳細(xì)地說明了本發(fā)明。
實(shí)施例一運(yùn)用Aix 2000HT MOCVD系統(tǒng)外延生長GaN基超高亮度LED結(jié)構(gòu)外延片。襯底為(0001)藍(lán)寶石(Al2O3)。如圖1所示，首先，把襯底7加熱到1200℃，氫氣下高溫處理10分鐘；然后溫度降低到500-540℃生長GaN成核層6，約25納米，TMGa流量在2.2×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為5升/分鐘；其后，將生長溫度升高到1160℃對成核層6進(jìn)行退火，退火時間4-8分鐘。退火后，在1160℃下，通過線性變化TMGa的流量，開始變速率外延生長GaN緩沖層5，生長時間為90秒。TMGa流量從2-6.63到15-20×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為3.5升/分鐘。其后，把生長溫度升高到1180℃，勻速生長厚度3.5微米的GaN緩沖層。其中前1微米為非故意摻雜GaN緩沖層4，后2.5微米為Si摻雜GaN層3。SiH4摻雜劑量為0.5-2×10-7摩爾/分鐘，TMGa流量為1.8×10-4摩爾/分鐘，NH3流量為3.5升/分鐘。然后把生長溫度降到780-800℃，在該緩沖層上生長5個InGaN(3.5納米)/GaN(10納米)量子阱2。TEGa的流量為1.5×10-5摩爾/分鐘，TMIn流量為1.0-2.5×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為12-16升/分鐘，N2為載氣。隨后把生長溫度升高到1010-1070℃，生長Mg摻雜GaN層1，N2或與H2的混合氣體做載氣，二茂鎂(Cp2Mg)的摻雜流量為2×10-7摩爾/分鐘，NH3流量為4升/分鐘，厚度為200納米。這樣生長的藍(lán)色LED外延片的發(fā)光波長在470±5納米，發(fā)光功率大于2毫瓦。
實(shí)施例二運(yùn)用Aix 2000HT MOCVD系統(tǒng)外延生長GaN基超高亮度LED結(jié)構(gòu)外延片。襯底為(0001)藍(lán)寶石(Al2O3)。如圖1所示，首先，把襯底7加熱到1200℃，氫氣下高溫處理10分鐘；然后溫度降低到510-540℃生長GaN成核層6，約25納米，TMGa流量在2.2×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為5升/分鐘；其后，將生長溫度升高到1160℃對成核層6進(jìn)行退火，退火時間4-8分鐘。退火后，在1160℃下，通過線性變化TMGa的流量，開始變速率外延生長GaN緩沖層5，生長時間為90秒。TMGa從2-6.63到15-17.7×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為3.5升/分鐘。其后，把生長溫度升高到1180℃，勻速生長厚度3.5微米的GaN緩沖層。其中前1微米為非故意摻雜GaN緩沖層4，后2.5微米為Si摻雜GaN層3。SiH4摻雜劑量為0.5-2×10-7摩爾/分鐘，TMGa流量為1.8×10-4摩爾/分鐘，NH3流量為3.5升/分鐘。然后把生長溫度降到840-850℃，在該緩沖層上生長5個InGaN(3.5納米)/GaN(10納米)量子阱2。TEGa的流量為1.5×10-5摩爾/分鐘，TMIn流量為1.8-2×10-5摩爾/分鐘，NH3流量為12-16升/分鐘，N2為載氣。隨后把生長溫度升高到1010-1070℃，生長Mg摻雜GaN層1，N2或與H2的混合氣體做載氣，二茂鎂(CP2Mg)的摻雜流量為2×10-7摩爾/分鐘，NH3流量為4升/分鐘，厚度為200納米。這樣生長的紫色LED外延片的發(fā)光波長在400±5納米，發(fā)光功率大于2毫瓦。
以上方法生長的LED外延片結(jié)構(gòu)如圖1所示。LED結(jié)構(gòu)生長過程如圖2所示。為了更清楚展示本方法的特點(diǎn)，在圖3中給出了變速生長層生長過程的詳細(xì)變化。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果還可以加入變速生長層與無變速生長層結(jié)果進(jìn)行比較中知道。緩沖層XRC搖擺曲線半寬數(shù)據(jù)在圖4中給出，LED發(fā)光強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種MOCVD生長氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的方法，它采用MOCVD技術(shù)，利用高純NH3做N源，高純H2或N2做載氣，三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)和三甲基銦(TMIn)分別做Ga源和In源；N型摻雜劑為硅烷(SiH4)，P型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg)；襯底為(0001)藍(lán)寶石(Al2O3)；反應(yīng)室壓力為100-500毫巴；首先，在MOCVD反應(yīng)室中把藍(lán)寶石襯底在氫氣下高溫處理，然后降溫生長GaN成核層，其后，升溫對成核層進(jìn)行退火，其特征在于退火后，在最后的退火溫度下，通過線性變化TMGa的流量，開始變速率外延生長GaN緩沖層，在這之后，勻速生長一厚度為2-4微米的GaN緩沖層，然后在該緩沖層上外延生長器件結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的MOCVD生長氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的方法，其特征在于所述變速率外延生長GaN緩沖層，厚度約為10-100納米，TMGa流量從0-2×10-4摩爾/分鐘，NH3流量為3-6升/分鐘。
3.如權(quán)利要求1所述的MOCVD生長氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的方法，其特征在于所述的InGaN/GaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)由3-5個InGaN/GaN量子阱及其上面的Mg摻雜GaN層組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MOCVD生長氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的方法。首先，在MOCVD反應(yīng)室中把藍(lán)寶石襯底加熱到1200℃，氫氣下高溫處理，然后溫度降低到490－550℃生長GaN成核層，其后，將生長溫度升高到1100－1180℃對成核層進(jìn)行退火，退火后，在最后的退火溫度下，通過線性變化TMGa的流量，開始變速率外延生長GaN緩沖層，在這之后，勻速生長一厚度為2－4微米的GaN緩沖層，在該緩沖層上外延生長器件結(jié)構(gòu)，并通過在其上生長InGaN/GaN多量子阱LED結(jié)構(gòu)，對變化速率進(jìn)行了優(yōu)化。本發(fā)明可有效實(shí)現(xiàn)三維生長向二維生長過渡，以提高外延生長的氮化物發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)外延片的質(zhì)量和發(fā)光強(qiáng)度。
文檔編號C23C16/34GK1508284SQ0215506
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者童玉珍, 張國義, 周建輝, 黎敏, 秦志新, 張昊翔, 丁曉民, 李樹明 申請人:上海北大藍(lán)光科技有限公司, 北京大學(xué)