MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法技术

一种ＭＯＣＶＤ生长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ＮＨ↓［３］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）分别做Ｇａ源和Ｉｎ源；Ｎ型掺杂剂为硅烷（ＳｉＨ↓［４］），Ｐ型掺杂剂为二茂镁（Ｃｐ↓［２］Ｍｇ）；衬底为（０００１）蓝宝石（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］）；反应室压力为１００－５００毫巴；首先，在ＭＯＣＶＤ反应室中把蓝宝石衬底在氢气下高温处理，然后降温生长ＧａＮ成核层，其后，升温对成核层进行退火，其特征在于：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，然后在该缓冲层上外延生长器件结构。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种GaN为基的III-V族氮化物材料的有机金属气相淀积(MOCVD)外延生长方法，尤其是涉及氮化物多量子阱蓝色、绿色和紫色发光二极管结构外延片的生长。
技术介绍
以GaN为基的半导体材料，具有从1.95到6.4eV的带隙，其发光波长几乎覆盖了整个可见光区，由于其巨大的应用前景而得到了广泛的研究和开发。尤其是以这种新型半导体材料为基础的蓝色、绿色、紫色和白色二极管的研究、生产和应用。目前，GaN为基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MOCVD生长氮化物(GaN，AlN，InN及它们的合金)技术中，由于没有与GaN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。如文献H.Amano，N.Sawaki，and Y.Toyoda，Appl.Phys.Lett.48(5)，353(1986)和S.Nakamura，Jpn.J.Appl.Phys.30，L1708(1991)就介绍了这种方法。即先在低温下，如500℃左右生长一很薄成核层，对GaN成核层其优化厚度为25纳米。然后升温退火，通常到1000℃以上的某一温度再以高生长速率直接生长GaN缓冲层。在该缓冲层的基础上，再进行LED等器件结构的外延生长。低温生长的GaN成核层通常是柱状或岛状的多晶薄层，是一个三维生长过程。升温退火后，通过结晶演化，变为取向趋于一致、非原子级粗糙薄层。而高质量的材料和器件结构通常只有二维生长才能得到。如何实现由三维生长转化为二维生长，将直接影响外延层的质量和器件的性能。GaN生长希望有合理的生长速率，一般大于2微米/小时。这样，有助于提高原材料和设备的利用率。目前的氮化物生长技术主要利用上述成核层的作用，通常米用在成核层上直接生长缓冲层的办法，自然生长平滑。这样需要较长的生长时间，同时引入很多位错等缺陷。因此，缓冲层一开始生长过快不利于横向生长连接，为了实现生长初期横向连接快于垂直生长，尽快把成核层长平，进入二维生长过程，增加一变速生长的缓冲层将更好的实现这一目的。而且其变化速率选择也可能将对GaN缓冲层质量和其上的LED结构性能产生重要影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法，它可有效实现三维生长向二维生长过渡，以提高外延生长的氮化物发光二极管结构外延片的质量和发光强度。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是采用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)分别做Ga源和In源；N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)；衬底为(0001)蓝宝石(Al2O3)；反应室压力为100-500毫巴；首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底加热到1200℃，氢气下高温处理，H2流量可以在2-10升/分钟；然后温度降低到490-550℃生长GaN成核层，约25纳米，TMGa流量在2-10×10-5摩尔/分钟，NH3流量为3-6升/分钟；其后，将生长温度升高到1100-1180℃对成核层进行退火，退火时间在1到8分钟之间；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，厚度约为10-100纳米，TMGa流量从0到2×10-4摩尔/分钟，NH3流量为3-6升/分钟；在这之后，匀速生长一厚度为2-4微米的GaN缓冲层，TMGa流量为1-2.5×10-4摩尔/分钟，NH3流量为3-8升/分钟；然后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；InGaN/GaN多量子阱LED结构由3-5个InGaN/GaN量子阱及其上面的Mg掺杂GaN层组成；InGaN阱的厚度为2-5纳米，GaN垒的厚度为6-15纳米，生长温度可在750-850℃之间，TMIn的流量为1.0-2.5×10-5摩尔/分钟，TEGa的流量为1-3×10-5摩尔/分钟，NH3流量为10-20升/分钟，N2为载气；Mg掺杂GaN层在1010-1070℃生长，高纯H2或N2或它们的混合气体做载气，二茂镁(Cp2Mg)的掺杂流量为1.5-4×10-7摩尔/分钟，NH3流量为3-6升/分钟，厚度为150-300纳米。采用上述方法进行变速生长时，可先设定起始TMGa流量为0-6.6×10-5摩尔/分钟，终止TMGa流量为1-1.77×10-4摩尔/分钟。通过改变从起始TMGa流量值到终止TMGa流量值的时间，来优化变速生长过程。选取该时间分别为1分钟、1分钟20秒、1分钟30秒、1分钟40秒、2分钟和5分钟。采用变速生长生长一薄的缓冲层，可使XRC摇摆曲线半宽减小，并在时间为1分钟30秒时达到最小，这表明后续生长材料的质量得到明显提高。采用变速生长生长一薄的缓冲层后，后续生长的LED发光强度明显增强。随着变速生长时间从1分钟到5分钟变化，发光强度先增加后减小，并在时间为1分钟30秒时达到最大。与直接生长相比，发光强度提高了2.5至4.6倍。总之，本方法通过加入一优化的变生长速率缓冲薄层，有效实现三维生长向二维生长过渡，提高了外延层质量，改善了器件性能，把LED的发光强度提高了4.6倍。本方法简单，十分容易操作，是一种有效的提高材料和器件质量和性能的简易方法。附图说明图1是InGaN/GaN多量子阱LED外延片结构；其中1-Mg掺杂GaN层；2-InGaN/GaN多量子阱层；3-Si掺杂GaN层；4-非故意掺杂GaN缓冲层；5-GaN变速生长缓冲层；6-GaN低温成核层；7-蓝宝石衬底。图2是包含变速生长层的InGaN/GaN多量子阱LED结构外延片生长过程；其中A-氢气下高温处理衬底；B-低温成核层生长；C-成核层升温退火；D-变速生长缓冲层生长；E-高温缓冲层生长；F-多量子阱生长；G-Mg掺杂层生长。图3是变速生长层生长过程；其中B-低温成核层生长；C-成核层升温退火；D-变速生长缓冲层生长；E-高温缓冲层生长。图4是高温GaN缓冲层XRC摇摆曲线半宽随变速生长时间的变化； 其中M-无变速生长层；N-有变速生长层时，随变速生长时间的变化。图5是LED外延片归一化发光强度随变速生长时间的变化；其中P-无变速生长层；Q-有变速生长层时，随变速生长时间的变化。具体实施例方式以下所述实施例详细地说明了本专利技术。实施例一运用Aix 2000HT MOCVD系统外延生长GaN基超高亮度LED结构外延片。衬底为(0001)蓝宝石(Al2O3)。如图1所示，首先，把衬底7加热到1200℃，氢气下高温处理10分钟；然后温度降低到500-540℃生长GaN成核层6，约25纳米，TMGa流量在2.2×10-5摩尔/分钟，NH3流量为5升/分钟；其后，将生长温度升高到1160℃对成核层6进行退火，退火时间4-8分钟。退火后，在1160℃下，通过线性变化TMGa的流量，开始变速率外延生长GaN缓冲层5，生长时间为90秒。TMGa流量从2-6.63本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MOCVD生长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H2或N2做载气，三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)分别做Ga源和In源；N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)；衬底为(0001)蓝宝石(Al2O3)；反应室压力为100-500毫巴；首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底在氢气下高温处理，然后降温生长GaN成核层，其后，升温对成核层进行退火，其特征在于退火后，在最后的退火温度下，通过线性变化TMGa的流...

【专利技术属性】
技术研发人员：童玉珍，张国义，周建辉，黎敏，秦志新，张昊翔，丁晓民，李树明，
申请(专利权)人：上海北大蓝光科技有限公司，北京大学，
类型：发明
国别省市：