一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法技术

一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，包括以下步骤：(1)在蓝宝石衬底上依次生长GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层；(2)在GaN高温缓冲层上生长GaN层；(3)通入Al和Ga的反应源，在GaN层上生长AlGaN阻挡层；(4)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上生长AlGaN补偿层；(5)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上生长AlGaN层；(6)重复步骤(2)到步骤(5)，循环生长，直到完成GaN和AlGaN循环结构周期。该方法通过在异质界面处插入超薄的阻挡－补偿对层，实现了有效阻挡界面元素互扩散现象，获得了高对称的超陡峭循环结构。

Growth method using GaN and AlGaN cyclic structure as Buffer layer

A method of growing Buffer layer with GaN and AlGaN as the cycle structure, which comprises the following steps: (1) on sapphire substrate followed by growth of GaN low temperature buffer layer and GaN buffer layer of high temperature; (2) growth of GaN layer in GaN high temperature buffer layer; (3) the reaction source input of Al and Ga, growth in the GaN layer of AlGaN barrier layer; (4) the reaction source input of Al and Ga, in the AlGaN barrier layer AlGaN layer growth compensation; (5) the reaction source input of Al and Ga, the growth of AlGaN layer in AlGaN compensation layer; (6) repeat steps (2) to step (5) and the cycle of growth, until the completion of GaN and AlGaN cycle cycle structure. In this method, a thin barrier - compensation layer is inserted at the interface, which can effectively prevent the interdiffusion of the interface elements.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用GaN和AlGaN循环结构生长优化Buffer(缓冲层)的方法，属于光电子的

技术介绍
随着电力电子技术的发展，各种变频电路，斩波电路的应用不断扩大，在这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用自关断能力的新型电力电子器件，都需要一个与之并联的快速恢复二极管。尤其是以IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGCT(集成门极换流晶闸管，IntegratedGateCommutatedThyristors)为代表的电力电子器件的广泛应用，对快恢复二极管又提出新的要求，即具有短的反向恢复时间trr的同时还要具有软恢复特性。需要注意的是，快恢复二极管并非普通二极管加少子寿命控制技术那么简单，与普通二极管的阴极N+浅结结构不同，快恢复二极管由于恢复速度快通常需要在背面增加buffer层(缓冲层)来提高软度。目前在二极管阳极侧具有较多的软度改善措施：如EMCON、局域寿命控制等等，并已经得到实际应用。阴极侧目前已经实用的软度改善措施即增加buffer层，一般常用的结构有三种，一是外延双基区，通过两次以上外延来实现，二是深扩散双基区，通过一次磷的深扩散形成，三是两次扩散双基区，通过两次磷的深扩散来形成。外延形成buffer层多用于对二极管压降要求较高，频率较低的应用，其软度通常较扩散形成buffer层的二极管要差，扩散形成的buffer层通常应用于对二极管软度要求较高，频率较高，对压降不敏感的应用。对于3300V以上器件，上述实现方式均存在一些不足尽如人意的方面：对于外延方式，3300V器件的N-区厚度通常要达到300um以上，这样的厚度通过外延来形成是相当困难的，因此目前对于3300V以上器件均用单晶片作为材料片，也就不存在双外延形成buffer层的方式。对于扩散方式，受限于浓度梯度的存在，buffer层形成后，为了保证形成良好的欧姆接触及背面buffer层效果，背面不可减薄过多。由于Ⅲ族氮化物基光电器件普遍采用的蓝宝石衬底与上面的(Al)GaN外延层，存在较大的晶格和热失配，同时，制备高晶体质量的高Al组分AlGaN外延层还存在较大的困难，这些方面的问题严重制约了(Al)GaN基异质结构质量和性能的进一步快速发展。对于循环结构结构而言，其异质界面的质量和陡峭程度，在整个结构中占着最为至关重要的地位，界面质量的好坏直接决定该循环结构结构的光电性能。比如，陡峭的界面就可以获得更强的量子限制效应，光电转换效率也就可以更好的提升，这就将大大地提升相关器件的整体性能。目前在现有技术中，在异质界面生长过程中采用中断吹氨方法可以在一定程度上改善界面的质量，提高界面平整度，从而提高循环结构界面的质量。经过深入表征实验表明，虽然采用该方法在一定程度上可以改善AlGaN/GaN界面(即GaN上界面)的平整性，但对于GaN/AlGaN(即GaN下界面)界面却有陡峭度的不良影响，最终会导致上下界面的陡峭程度不对称现象，这一问题说明在高温生长条件下，Al元素在界面处的扩散现象是十分可观而难以消弭的，如何阻挡该扩散及减小扩散深度成为该方法的难题。
技术实现思路
针对现有在异质界面生长过程中采用中断吹氨以提高循环结构界面质量的方法存在的不足，本专利技术提供一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法。该方法采用GaN和AlGaN循环结构代替传统的Buffer生长，是在传统的蓝绿光外延的生长方法的基础上用GaN和AlGaN循环结构交替生长Buffer层，能够有效的改变MQW的晶体质量，释放应力，能够减少LED结构生长时间，改善LED的电学性质，提高GaN基LED器件的发光效率。本专利技术的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，包括以下步骤：(1)将蓝宝石衬底置于反应室内，在H2气氛下清洗净化，通入Ga反应源和NH3，在蓝宝石衬底上依次生长GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层；(2)在GaN高温缓冲层上生长GaN层，生长完后，关闭Ga反应源，对GaN层的表面在NH3气氛下进行吹扫处理；(3)通入Al和Ga的反应源，在GaN层上生长AlGaN阻挡层，AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN阻挡层在NH3气氛下进行吹扫处理；采用超薄AlGaN阻挡层的原因如下：如果是在没有这一超薄阻挡层的情况下，由于下面的GaN层与上面AlGaN层的Al组分存在大的浓度梯度，因此Al元素将会难以避免得从上面AlGaN层扩散到下面的GaN层。本专利技术提出的较低Al组分的超薄AlGaN阻挡层则可以在很大程度上阻挡Al元素的扩散，减小扩散深度，使界面的陡峭度得以提高。(4)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上生长AlGaN补偿层，AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN补偿层在NH3气氛下进行吹扫处理；采用补偿层的理由如下：由于AlGaN阻挡层的Al组分低于所设计的步骤(5)中AlGaN层中的Al组分，这将影响AlGaN层的组分均匀性，从而引入新的不平整，因此本专利技术用补偿法在其后又生长了较高Al组分的超薄AlGaN补偿层，利用其扩散作用，拉高超薄阻挡层的组分，使平均组分稳定在AlGaN层设计组分，这样通过阻挡Al元素向GaN层的扩散同时又保证了AlGaN层的组分均匀性最终达到提高GaN上界面陡峭度的目的。通过超薄阻挡－补偿对层在界面处的插入，可有效阻挡高温下高Al组分的界面扩散作用，使得陡峭度得到有效的提升。(5)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上生长AlGaN层，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN层在NH3气氛下进行吹扫处理；(6)重复步骤(2)到步骤(5)，循环生长，直到完成GaN和AlGaN循环结构周期。利用XRD测试手段对采用和未采用超薄阻挡补偿插层方法生长的循环结构进行对比评价。所述步骤(1)中在H2气氛下900～1100℃清洗净化5～20分钟；Ga的反应源是三钾基镓或者是三乙基镓；生长GaN低温缓冲层的温度为500～600℃，生长GaN高温缓冲层的温度为900～1100℃；GaN低温缓冲层的厚度为10～50nm，GaN高温缓冲层的厚度为1～3μm。所述步骤(2)中生长GaN层的温度为1000～1100℃；GaN层的厚度为2～5nm；吹扫处理的时间为1～5秒。所述步骤(3)中生长AlGaN阻挡层的温度为1000～1200℃；AlGaN阻挡层的厚度为0.2～0.5nm；Al和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝；AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分10～20％，在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为1～2秒。所述步骤(4)中AlGaN补偿层的生长温度为1000～1200℃；Al和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝；AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分5％～15％；AlGaN补偿层厚度为0.2～0.5nm，在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为1～2秒。所述步骤(5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，包括以下步骤：(1)将蓝宝石衬底置于反应室内，在H2气氛下清洗净化，通入Ga反应源和NH3，在蓝宝石衬底上依次生长GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层；(2)在GaN高温缓冲层上生长GaN层，生长完后，关闭Ga反应源，对GaN层的表面在NH3气氛下进行吹扫处理；(3)通入Al和Ga的反应源，在GaN层上生长AlGaN阻挡层，AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN阻挡层在NH3气氛下进行吹扫处理；(4)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上生长AlGaN补偿层，AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN补偿层在NH3气氛下进行吹扫处理；(5)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上生长AlGaN层，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN层在NH3气氛下进行吹扫处理；(6)重复步骤(2)到步骤(5)，循环生长，直到完成GaN和AlGaN循环结构周期。

【技术特征摘要】
1.一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，包括以下步骤：(1)将蓝宝石衬底置于反应室内，在H2气氛下清洗净化，通入Ga反应源和NH3，在蓝宝石衬底上依次生长GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层；(2)在GaN高温缓冲层上生长GaN层，生长完后，关闭Ga反应源，对GaN层的表面在NH3气氛下进行吹扫处理；(3)通入Al和Ga的反应源，在GaN层上生长AlGaN阻挡层，AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN阻挡层在NH3气氛下进行吹扫处理；(4)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上生长AlGaN补偿层，AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN补偿层在NH3气氛下进行吹扫处理；(5)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上生长AlGaN层，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN层在NH3气氛下进行吹扫处理；(6)重复步骤(2)到步骤(5)，循环生长，直到完成GaN和AlGaN循环结构周期。2.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(1)中在H2气氛下900～1100℃清洗净化5～20分钟；Ga的反应源是三钾基镓或者是三乙基镓；生长GaN低温缓冲层的温度为500～600℃，生长GaN高温缓冲层的温度为900～1100℃；GaN低温缓冲层的厚度为10～50nm，GaN高温缓冲层的厚度为1～3μm。3.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(2)中生长GaN...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾政，李毓峰，王成新，
申请(专利权)人：山东浪潮华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37