ＭＯＣＶＤ生长氮化物外延层的方法技术

一种用ＭＯＶＣＤ生长氮化物外延层和氮化物发光二极管结构外延片的方法，它采用ＭＯＣＶＤ技术，利用高纯ＮＨ３做Ｎ源，高纯Ｈ↓［２］或Ｎ↓［２］做载气，三甲基镓（ＴＭＧａ）或三乙基镓（ＴＥＧａ）和三甲基铟（ＴＭＩｎ）和三甲基铝（ＴＭＡｌ）分别做Ｇａ源和Ｉｎ源和Ａｌ源；衬底为蓝宝石（Ａｌ２Ｏ３）；该方法包括在ＭＯＣＶＤ反应室中把蓝宝石衬底加热到５００℃，在Ｈ↓［２］气氛下，通入三甲基镓（ＴＭＧａ）生长一ＧａＮ层，在高温（～１２００℃）Ｈ↓［２］气氛下，ＧａＮ和衬底表层的蓝宝石（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］）发生反应，可以更好地清除蓝宝石表面的损伤层及其表面的污染，也可以在蓝宝石表面腐蚀出纳米量级的微坑，这些微坑对改善外延层的质量有好处，更重要的是可以增加ＬＥＤ的出光效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氮化镓(GaN)为基的III-V族氮化物材料的有机金属气象淀积(MOCVD) 外延生长方法，尤其是涉及氮化物多量子发光二极管结构外延片的生长方法。
技术介绍
以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg=3.4eV)、高热导率、高硬度、 高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在固态照明、固体激光 器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。按中国2002年的用电情况计算， 如果采用固态照明替代传统光源， 一年可以省下三峡水电站的发电量，有着巨大的经济、环 境和社会效益；而据美国能源部测算，到2010年，全美半导体照明行业产值将达500亿美元。 在光信息存储方面，以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。正因为这些 优点，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品化。目前，以GaN为基的半导体材料和器件的外延生长最主要、最有效和最广泛的是MOCVD 技术。在利用MOCVD生长氮化物(GaN、 AIN、 InN及其它们的合金)技术中，由于没有与 氮化镓晶格匹配的衬底材料，通常采用蓝宝石为衬底的异质外延。由于在蓝宝石和氮化物之 间存在大的晶格失配(~13.8%)和热膨胀系数的差异，使得生长没有龟裂、表面平整的高质 量氮化物非常困难。现已证实最有效的外延生长通常采用两步外延方法。(参见图1所示)如 中国专利技术专利公开说明书CN1508282公开了这种方法，首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石 衬底加热到120(TC,氢气下高温处理，然后温度降低到490-55(TC生长GaN成核层，其后， 将生长温度升高到1100-118(TC对成核层进行退火，退火后，在最后的退火温度下，通过线性 变化TMGa的流量，开始变速率外延生长GaN缓冲层，在这之后，匀速生长一厚度为2-4微 米的GaN缓冲层，在该缓冲层上外延生长器件结构，并通过在其上生长InGaN/GaN多量子 阱LED结构，对变化速率进行了优化。但是，该工艺在生长过程中，蓝宝石衬底表面易形成损伤层及污染，从而降低外延片的质量。鉴于此，有必要提供一种新的工艺方法克服上述缺点。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种MOVCD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法， 可以更好地清除蓝宝石表面的损伤层及其表面的污染，也可以在蓝宝石表面腐蚀出纳米量级 的微坑，这些微坑对改善外延层的质量有好处，更重要的是可以增加LED的出光效率。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案 一种用MOVCD生长氮化物外延层 方法，它采用MOCVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2做载气，三甲基镓(TMGa) 或三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)和三甲基铝(TMA1)分别做Ga源和In源和Al 源；衬底为蓝宝石(A1203);其特征在于，该方法包括以下步骤-步骤一，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底加热到50CTC和90(TC之间，用H2或N2气 作载气，通入三甲基镓(TMGa)和NH3在蓝宝石表面生长一 GaN牺牲层；其厚度在10纳 米到200纳米之间；步骤二， GaN牺牲层生长完毕之后，停止向反应室通入三甲基镓(TMGa)，继续向反应 室通入NH3，继续向反应室通入H2或N2气，同时将生长温度升高到"0(TC以上；步骤三，当生长温度升高到110(TC以上地某一设定的温度之后，停止向反应室通入NH3， 只向反应室通入H2或H2和N2的混合气，使GaN牺牲层分解，同时和蓝宝石表面发生反应；步骤四，在H2气氛下或H2和N2的混合气氛下或N2气氛下，把MOCVD反应室温度 降低至500'C到90(TC的某一设定温度，通入三甲基镓(TMGa)和NH3生长GaN成核层， 其厚度控制在10纳米到50纳米之间；步骤五，GaN成核层生长完毕之后，停止向反应室通入三甲基镓(TMGa)，继续向反应 室通入NH3，继续向反应室通入H2或N2气，同时将生长温度升高到1000°C以上的某一设 定温度，使GaN成核层达到退火的目的；步骤六，继续向反应室通入NH3，继续向反应室通入H2或N2气，将温度保持在1000 'C以上的某一设定温度，同时向反应室通入三甲基镓(TMGa)，开始在高温下生长高质量的 GaN外延层；作为本专利技术的一种优选方案之一，上述方法中的蓝宝石衬底可以使用蓝宝石图形衬底。作为本专利技术的一种优选方案之一，上述方法中的牺牲层可以是A1N,只是要在步骤一生 长牺牲层时用TMA1替代TMGa。作为本专利技术的一种优选方案之一，上述方法中的牺牲层可以是Al^GaxN，只是要在步骤 一生长牺牲层时要同时通入TMA1和TMGa, Al^xGaxN的固相组份x可以是从0到1的某一 值，由通入反应室的TMA1和TMGa的摩尔数的比例决定。作为本专利技术的一种优选方案之一，上述方法中的GaN成核层可以用A1N或Ah.xGaxN替 代，只是要在步骤四要用不同的原材料。作为本专利技术的一种优选方案之一，上述方法中的GaN成核层，或A1N成核层，也有可能 是AlLXGaxN成核层，在900'C到120(TC之间的某一设定温度生长，反应室中残留的N的化 合物来提供N源。本专利技术进一步包括 一种用MOVCD生长发光二极管结构外延片的方法，它采用MOCVD 技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2做载气，三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa) 和三甲基铟(TMIn)和三甲基铝(TMAl)分别做Ga源和In源和Al源；衬底为蓝宝石(A1203); 其特征在于，该方法包括以下步骤-步骤一，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底加热到500'C和900'C之间，用H2或N2气 作载气，通入三甲基镓(TMGa)和NH3在蓝宝石表面生长一 GaN牺牲层；其厚度在10纳 米到200纳米之间；步骤二， GaN牺牲层生长完毕之后，停止向反应室通入三甲基镓(TMGa)，继续向反应 室通入NH3，继续向反应室通入H2或N2气，同时将生长温度升高到110CTC以上；步骤三，当生长温度升高到110(TC以上地某一设定的温度之后，停止向反应室通入NH3， 只向反应室通入H2或H2和N2的混合气，使GaN牺牲层分解，同时和蓝宝石表面发生反应；步骤四，在H2气氛下或H2和N2的混合气氛下或N2气氛下，把MOCVD反应室温度 降低至50(TC到90(TC的某一设定温度，通入三甲基镓(TMGa)和NH3生长GaN成核层， 其厚度控制在10纳米到50纳米之间；步骤五，GaN成核层生长完毕之后，停止向反应室通入三甲基镓(TMGa)，继续向反应 室通入NH3，继续向反应室通入H2或N2气，同时将生长温度升高到1000'C以上的某一设 定温度，使GaN成核层达到退火的目的；步骤六，继续向反应室通入NH3，继续向反应室通入H2或N2气，将温度保持在1000 'C以上的某一设定温度，同时向反应室通入三甲基镓(TMGa)，开始在高温下生长高质量的 GaN外延层；步骤七，在高质量的GaN外延层上生长各种各样的GaN基的发光二极管的结构。 综上所述，本专利技术提供一种MOVCD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法，在高温 (~1200°C) H2气氛下，GaN和衬底表层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＭＯＶＣＤ生长氮化物外延层方法，它采用ＭＯＣＶＤ技术，利用高纯ＮＨ３做Ｎ源，高纯Ｈ２或Ｎ２做载气，三甲基镓（ＴＭＧａ）或三乙基镓（ＴＥＧａ）和三甲基铟（ＴＭＩｎ）和三甲基铝（ＴＭＡｌ）分别做Ｇａ源和Ｉｎ源和Ａｌ源；衬底为蓝宝石（Ａｌ２Ｏ３）；其特征在于，该方法包括以下步骤：　步骤一，在ＭＯＣＶＤ反应室中把蓝宝石衬底加热到５００℃和９００℃之间，用Ｈ２或Ｎ２气作载气，通入三甲基镓（ＴＭＧａ）和ＮＨ３在蓝宝石表面生长一ＧａＮ牺牲层；其厚度在１０纳米到２００纳米之间；　步骤二，ＧａＮ牺牲层生长完毕之后，停止向反应室通入三甲基镓（ＴＭＧａ），继续向反应室通入ＮＨ３，继续向反应室通入Ｈ２或Ｎ２气，同时将生长温度升高到１１００℃以上；　步骤三，当生长温度升高到１１００℃以上地某一设定的温度之后，停止向反应室通入ＮＨ３，只向反应室通入Ｈ２或Ｈ２和Ｎ２的混合气，使ＧａＮ牺牲层分解，同时和蓝宝石表面发生反应；　步骤四，在Ｈ２气氛下或Ｈ２和Ｎ２的混合气氛下或Ｎ２气氛下，把ＭＯＣＶＤ反应室温度降低至５００℃到９００℃的某一设定温度，通入三甲基镓（ＴＭＧａ）和ＮＨ３生长ＧａＮ成核层，其厚度控制在１０纳米到５０纳米之间；　步骤五，ＧａＮ成核层生长完毕之后，停止向反应室通入三甲基镓（ＴＭＧａ），继续向反应室通入ＮＨ３，继续向反应室通入Ｈ２或Ｎ２气，同时将生长温度升高到１０００℃以上的某一设定温度，使ＧａＮ成核层达到退火的目的；　步骤六，继续向反应室通入ＮＨ３，继续向反应室通入Ｈ２或Ｎ２气，将温度保持在１０００℃以上的某一设定温度，同时向反应室通入三甲基镓（ＴＭＧａ），开始在高温下生长高质量的ＧａＮ外延层。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝茂盛，潘尧波，颜建锋，周建华，孙永健，杨卫桥，陈志忠，张国义，
申请(专利权)人：上海蓝光科技有限公司，北京大学，上海半导体照明工程技术研究中心，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]