改善ＩｎＧａＮ量子阱的Ｉｎ组分均匀性的外延生长方法技术

本发明专利技术公开了一种改善ＩｎＧａＮ量子阱的Ｉｎ组分均匀性的外延生长方法，是在生长ＩｎＧａＮ量子阱的初始阶段使ＴＥＧａ或ＴＭＩｎ的流量高出常规正常生长流量，然后再跳变陡降或逐渐渐变到常规正常生长流量生长ＩｎＧａＮ阱层；或者是先通入一定量的ＴＭＩｎ，然后按常规正常生长流量通入ＴＥＧａ和ＴＭＩｎ生长ＩｎＧａＮ量子阱；在一个ＩｎＧａＮ量子阱生长结束后，中断后续生长，使过多的Ｉｎ原子从量子阱表面挥发，以保证量子阱沿生长方向Ｉｎ组分更均匀。本发明专利技术通过简单的改变生长源的流量或者通入的先后顺序就能大大改善量子阱内的Ｉｎ组分分布，量子阱的开始阶段Ｉｎ组分即达到ＩｎＧａＮ量子阱中的平均组分，使量子阱的上下界面更陡峭，制作的ＬＥＤ发光半峰宽大大改善，强度得到提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种改善InGaN量子阱的In组分均勻性的外延生长方法，属于光电子

技术介绍
以GaN、InN.AlN为代表的三族氮化物属于直接带隙半导体材料，具有优良的光电 特性，是制造短波长发光二极管(LED)、光电探测器中不可缺少的材料。GaN的带隙是3. 4电 子伏(eV)，InN的带隙是0.7eV，这两种材料对应的发光波长分别位于紫外和红外区域。以 GaN和InN组成的合金材料InGaN作为LED的发光有源区，随着In组分的变化其发光波长 可覆盖从紫外到红外全部波段。现在商业化的蓝绿光LED都是以InGaN作为量子阱，通过 调节量子阱内的In组分改变发光波长。由于缺乏晶格匹配的衬底，三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底 有蓝宝石、碳化硅等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积(M0CVD)。由于和衬底的 晶格失配及热失配很大，在蓝宝石衬底上生长GaN时都是采用两步生长法，即先在低温下 生长一层低温GaN作为缓冲层，然后升高到1000度以上的高温生长GaN。因此现有的GaN 基LED芯片的结构由下至上依次为衬底、低温GaN缓冲层、高温非掺杂GaN层、N型GaN层、 MQW层(多量子阱层)、P型AlGaN层和P型GaN层，衬底可以采用目前常用的蓝宝石衬底， 外延生长方法最常用的还是M0CVD，具体包括以下步骤。(1)首先采用常规的低温缓冲层生长方法在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层， 即在M0CVD生长炉的反应室内500°C —700°C下生长20nm—60nm厚的低温GaN缓冲层；缓 冲层生长后，把反应室内温度升高到1000°C —1200°C再在缓冲层上生长100nm—2000nm的 高温非掺杂GaN层；然后生长2um-3um的掺杂Si的GaN ；(2)把反应室内的生长温度调到700°C --800°C，反应室内的载气由氢气改为氮 气，以氨气作为反应气体，通入三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)生长InGaN/GaN多量子 阱；InGaN/GaN多量子阱包括GaN垒层和InGaN阱层；在现有常规的量子阱生长方法中，TMIn和TEGa以恒定的摩尔量通入反应室内，通 常生长量子阱的TEGa和TMIn的流量都是60umol/min。TMIn和TEGa都进入反应室时则生 长InGaN阱层，只通入TEGa时则生长GaN垒层。(3)然后把生长温度升高到900°C -1200°C，生长P型AlGaN层和掺镁的P型GaN层。在蓝绿光LED中，InGaN作为量子阱结构的最重要组成部分，它的晶体质量影响着 LED的发光效率。由于InN和GaN的晶格失配达到10%，在较低In组分的InGaN材料中即 存在很大的应变；由于In原子半径大于Ga原子半径，In组分高时，发生相分离；In原子的 元素蒸汽压比Ga原子高，生长时In原子更难引入。因此InGaN的生长面临着许多困难。通 常生长时为了提高In原子的引入效率，采用队做载气；由于In原子的键能较低，在较低的 温度下生长以防止其挥发。但根据K. Hiramatsu等人的报道(MRS Internet journal ofnitridesemiconductor research, Volume 2, articles 6,材料研究协会的氮化物半导体 研究网上杂志，第二卷，第六篇文章)，在GaN上生长InGaN时，In原子在InGaN中的分布并 不是一成不变。在InGaN的生长初始阶段，In原子引入效率较低；随着InGaN厚度增加，In 原子引入逐渐增加，直至达到饱和。作者认为这是由于In原子的引入导致应变能增加，这 种应变能会排斥In原子的引入。因此在InGaN材料的生长中，这种应变导致的In组分推 迟引入使InGaN材料中的In组分分布不均勻。图1给出了通常的InGaN量子阱中In组分 沿生长方向的分布示意图。在通常的蓝绿光LED中，都采用InGaN作为量子阱材料，其中蓝光LED中的In组 分约为15%，绿光LED中In组分约为20%。为保证量子阱的晶体质量，InGaN的厚度又很 薄，通常在3nm以内。这样，InGaN量子阱内的In组分就会变得不均勻，使量子阱的上下界 面组分突变性变差；In组分的变化使发光波长均勻性变差，增加了发光带宽，最终使发光 效率降低。
技术实现思路
本专利技术针对现有InGaN量子阱内的In组分不均勻问题，提供一种改善InGaN量子 阱的In组分均勻性的外延生长方法，该方法可显著改善In原子的引入效率，使量子阱内的 In组分更加均勻，得到界面组分突变好、发光效率高的InGaN量子阱。本专利技术的改善InGaN量子阱的In组分均勻性的外延生长方法，是在生长InGaN量 子阱的前20秒内使TEGa或TMIn的流量高出常规正常生长流量的10%-80%，然后再变到 常规正常生长流量；或者是在以常规正常生长流量通入TEGa和TMIn之前，先以常规正常生 长流量通入TMIn 20秒；在一个InGaN量子阱生长结束后，停止通入TEGa和TMIn，使后续 生长中断一段时间，使过多的In原子从量子阱表面挥发掉，以保证量子阱沿生长方向In组 分更均勻。TEGa或TMIn的流量由高出常规正常生长流量变到常规正常生长流量可以通过跳 变陡降式或逐渐渐变式进行。生长完量子阱后，由于In组分逐渐增多，停止通入TEGa和TMIn —段时间，使过多 的In原子从量子阱表面挥发，保证量子阱沿生长方向In组分更均勻，很好的改善了量子阱 的发光半宽及强度，这一点对含有In组分更高的绿光LED更有效。本专利技术改变了传统的采用恒量有机源TEGa和TMIn的方法，通过简单的改变生长 源的流量或者通入的先后顺序就能大大改善量子阱内的In组分分布，量子阱的开始阶段 In组分即达到InGaN量子阱中的平均组分，使量子阱的上下界面更陡峭，在M0CVD的控制中 简单易行，适用这种方法后制作的LED，其发光半峰宽大大改善，且强度也得到提高。附图说明图1是通常的InGaN量子阱中In组分沿生长方向的分布示意图。图2是本专利技术实施例1中生长量子阱时的TMIn的流量示意图。图3是本专利技术实施例2中生长量子阱时的渐变TMIn流量示意图。图4是本专利技术实施例3中生长量子阱时的TEGa流量示意图。图5是本专利技术实施例4中生长量子阱时的先通入TMIn的示意图。具体实施例方式实施例1本实施例是在生长InGaN量子阱的前20秒钟的TMIn流量设定为90umol/min，再 跳变陡降到正常流量(eOumol/min)，如图2所示。这样，量子阱的开始阶段通过加大In流 量会适当增加量子阱中In组分。生长完InGaN量子阱后，停止通入TEGa和TMIn—段时间， 使量子阱表面过多的In挥发，保证量子阱上下界面的In组分均勻性。生长完InGaN量子 阱后，把系统温度升高到80(TC -90(TC生长GaN势垒层。这样一个InGaN/GaN量子阱结构 就存在了，可把这个过程重复5-10边，就得到5-10个周期的InGaN/GaN多量子阱结构。实施例2本实施例是在InGaN量子阱生长的初始TMIn流量设定为90umol/min，之后再用 20秒钟逐渐渐变到正常流量(eOumol/min)，如图3所示。与实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善ＩｎＧａＮ量子阱的Ｉｎ组分均匀性的外延生长方法，其特征是：是在生长ＩｎＧａＮ量子阱的前２０秒内使ＴＥＧａ或ＴＭＩｎ的流量高出常规正常生长流量的１０％－８０％，然后再变到常规正常生长流量；或者是在以常规正常生长流量通入ＴＥＧａ和ＴＭＩｎ之前，先以常规正常生长流量通入ＴＭＩｎ２０秒；在一个ＩｎＧａＮ量子阱生长结束后，停止通入ＴＥＧａ和ＴＭＩｎ，使后续生长中断一段时间，使过多的Ｉｎ原子从量子阱表面挥发掉，以保证量子阱沿生长方向Ｉｎ组分更均匀。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李毓锋，朱学亮，曲爽，李树强，王成新，
申请(专利权)人：山东华光光电子有限公司，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]