一种ＧａＮ基量子阱红光ＬＥＤ结构的生长方法，利用金属有机物化学汽相外延ＭＯＣＶＤ生长系统，得到ＧａＮ基ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子阱红光ＬＥＤ结构材料，其中量子阱中ＩｎｘＧａ１－ｘＮ材料Ｉｎ组份控制组份ｘ在０．１到０．５之间。本发明专利技术实现了ＩＩＩ族氮化物的红光长波长发光，针对高Ｉｎ组份ＩｎＧａＮ材料生长困难的问题，本发明专利技术通过在ＭＯＣＶＤ系统中，对有机镓源和铟源的流量，生长温度、时间，氨气流量，Ｎ与Ｇａ之摩尔比等条件的控制和调整，解决了这一问题。本发明专利技术整个生长过程中，通过对温度和反应物流量比等条件的严格控制，确定量子阱的发光波长，实现长波长发光，得到ＧａＮ基ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子阱红光ＬＥＤ结构。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种新型的合成生长GaN基GaN/InGaN量子阱红光LED结构材料的生 长方法，尤其是利用金属有机物化学汽相外延MOCVD技术，在蓝宝石衬底生长一种GaN基 GaN/InGaN量子阱红光LED结构的生长方法。
技术介绍
自从1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出GaN基的蓝光发光二极 管LED, III族氮化物半导体材料与器件的研究得到了迅速的发展。高效率的短波长LED和 激光器已经研制成功。InGaN基的多量子阱MQWs结构是所有这些器件的核心结构。深入研 究和掌握InGaN基MQWs的光电特性对提高器件性能具有重要作用。在InGaN基MQWs中， 载流子的局域化已经被广泛研究，通常认为这使载流子行为约束在小范围内进行辐射复合 过程，而不被缺陷俘获，是导致短波长光发射期间高效率的重要原因。 目前，氮化物中载流子局域化的物理图像和规律依然没有定论。提出的模型和描 述有很多，长期以来主要集中在三种模型(l)异质结构中的单层厚度起伏，这导致在整个 结构中包含多种不同实际厚度的量子阱，不同量子阱对载流子具有不同的量子限制作用； (2)结构中的组分和应力的空间不均匀分布，这导致在整个结构中存在势阱的起伏；(3)完 全的相分离，这导致结构中包含完全不同组分的量子阱。这些模型的共同特点是，局域化效 应的表现，是以围绕某一参量的起伏而引起的，如厚度的起伏或组分的起伏。并且，长时间 以来，通过透射电镜TEM的观察，认为这种起伏导致类似量子点的结构形成。近两年来的最 新研究结果表明，以前的TEM结果并不是局域化产生的原因，目前没有局域化物理结构的 观测结果。载流子局域化在其光电行为上都表现得很明显，但是其物理结构和能级结构依 然不清楚。这种本质规律的模糊，直接导致目前关于氮化物结构设计与器件研究，多是通过 表观的测量与规律总结来进行探索。 在氮化物载流子局域化深入的研究当中，其中一个新的猜想是，导致载流子局域 化的物理结构是原子级非常小的结构，所以通常的微结构测量手段，如TEM，并不能观察到。 这种原子尺度局域化结构的模型，与我们前期的实验结果相对应。我们在特殊设计的氮化 物量子结构中的观察到了与原子级结构改变导致的光发射变化。这个猜想的一个初步验证 是日本科学家Chi Chi Bu所领导的氮化物半导体中正电子束荧光试验。结果显示空穴未 为人所知的行为对应于氮化物半导体中的某些原子级的结构，空穴的扩散长度只有几个 晶格常数，小于4个纳米的范围，大大不同于以往人为的几十到一百纳米的扩散长度。这所 揭示的全新的氮化物载流子行为，为更加准确地设计氮化物能带结构，充分利用氮化物的 材料特性，在具有高密度缺陷背景的氮化物材料中，实现高效率的辐射复合，提供了新型量 子结构设计的依据和基础。 载流子的很多行为被束缚在极小的空间内，即使外延的材料具有很高的缺陷密 度，由于载流子行为大多已经被局域化，这些缺陷的作用被大大压制了 ，这也是当前氮化物 材料虽然通常具有高密度缺陷，但仍可以在蓝绿发光器件中实现高效率光发射的根本原因。彻底研究这种载流子局域化产生的本质原因和实际物理结构，不仅仅对于深入了解氮 化物半导体材料物性具有重要意义，而且可以进一步有目标地充分利用氮化物半导体这个 优异的特性，探索和实践具有新特性的氮化物量子结构和器件。 利用氮化物半导体实现红色发光发射系统一直是氮化物研究与应用的前沿热点。 对于通常的蓝绿发光器件，利用氮化物多量子阱结构，可以实现高效率特定波长的光发射， 这是器件有源区量子结构的特性所决定的。由于高In组份InGaN材料生长的困难，实现红 光发射的GaN基红光LED结构材料尚没有报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是目前实现红光发射的GaN基红光LED结构材料尚没有报 道，需要提供一种新型的合成生长GaN基GaN/InGaN量子阱红光LED结构材料的生长方法， 尤其是利用金属有机物化学汽相外延MOCVD技术在蓝宝石衬底生长一种GaN基GaN/InGaN 量子阱红光LED结构材料的方法。 本专利技术的技术方案为，利用金属有机 物化学汽相外延MOCVD生长系统， 1)、对蓝宝石衬底在1000-110(TC温度下进行衬底材料热处理后再通入氨气进行 表面氮化，或在硅衬底材料上，在1000-1 IO(TC通入有机铝源生长一层2-20nm的A1N层； 2)、在500-70(TC温度范围下通入载气K、氨气以及金属有机源，金属有机源为有 机镓源，在经过步骤1)预处理的衬底上合成生长低温GaN缓冲层； 3)、在1000-1150。C温度下生长10分钟以上，得到厚度在50nm以上的GaN支撑层； 4)、生长GaN支撑层材料后，在900-105(TC温度下通入硅烷，生长一层硅掺杂 的N型GaN ;接着同时通入有机镓源三甲基镓TMGa和有机铟源三甲基铟TMIn，分别以 700-900。C和600-800。C生长层厚分别为15-20nm和5-15nm的2_10个周期的GaN/InGaN多 量子阱结构，其中量子阱中InxGai—，材料In组份通过温度或TMIn流量控制组份x在0. 1 到0. 5之间，保证发光波长在红光550nm到780nm之间； 5)、通过Mg掺杂生长一层掺杂浓度达3X 1017cm—3的P型GaN层，形成LED器件结 构，并对该结构在600-80(TC经0. 1-1小时退火时间进行退火激活，得到在蓝宝石或硅衬底 上合成生长的GaN基GaN/InGaN量子阱红光LED结构材料。 在MOCVD系统中，有机镓源和铟源为三甲基镓和三甲基铟，流量分别为l-50sccm 和50-200sccm，生长温度500-1050°C ，时间为5-3600秒；氨气流量控制在500-700sccm， V/ III比为500-50000， V/III比指N与Ga之摩尔比。 由上述生长方法获得的红光LED结构，In,Ga卜XN材料In组份通过温度或三甲基铟流量控制组份的x值在0. 1到0. 5之间，发光波长在红光550nm到780nm之间。本专利技术中，厚度分别为15-20nm和5_15nm的2-10个周期的GaN/InGaN多量子阱结构，其中量子阱中InxGai—XN材料In组份通过温度或三甲基铟流量控制组份x值在0. 1到0.5之间是本专利技术的关键。 本专利技术实现了 III族氮化物的红光长波长发光，针对高In组份InGaN材料生长困 难的问题，本专利技术通过在MOCVD系统中，对有机镓源和铟源的流量，生长温度、时间，氨气流 量，N与Ga之摩尔比等条件的控制和调整，解决了这一问题。本专利技术整个生长过程中，通过对温度和反应物流量比等条件的严格控制，确定量子阱的发光波长，实现长波长发光，得到GaN基GaN/InGaN量子阱红光LED结构。附图说明 图1为本专利技术生长的GaN基红光LED结构InGaN/GaN多量子阱样品的(002)面三轴X射线衍射谱和拟合图。 图2为本专利技术生长的红光LED结构样品的室温PL谱。 图3为本专利技术生长的红光LED结构InGaN/GaN多量子阱的AFM的三维形貌。具体实施例方式本专利技术利用金属有机物化学汽相外延MOCVD外延生长系统在蓝宝石衬底生长一种GaN基GaN/InGaN量子阱红光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＧａＮ基量子阱红光ＬＥＤ结构的生长方法，其特征是利用金属有机物化学汽相外延ＭＯＣＶＤ生长系统，１）、对蓝宝石衬底在１０００－１１００℃温度下进行衬底材料热处理后再通入氨气进行表面氮化，或在硅衬底材料上，在１０００－１１００℃通入有机铝源生长一层２－２０ｎｍ的ＡｌＮ层；２）、在５００－７００℃温度范围下通入载气Ｎ↓［２］、氨气以及金属有机源，金属有机源为有机镓源，在经过步骤１）预处理的衬底上合成生长低温ＧａＮ缓冲层；３）、在１０００－１１５０℃温度下生长１０分钟以上，得到厚度在５０ｎｍ以上的ＧａＮ支撑层；４）、生长ＧａＮ支撑层材料后，在９００－１０５０℃温度下通入硅烷，生长一层硅掺杂的Ｎ型ＧａＮ；接着同时通入有机镓源三甲基镓ＴＭＧａ和有机铟源三甲基铟ＴＭＩｎ，分别以７００－９００℃和６００－８００℃生长层厚分别为１５－２０ｎｍ和５－１５ｎｍ的２－１０个周期的ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多量子阱结构，其中量子阱中Ｉｎ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ材料Ｉｎ组份通过温度或ＴＭＩｎ流量控制组份ｘ在０．１到０．５之间，保证发光波长在红光５５０ｎｍ到７８０ｎｍ之间；５）、通过Ｍｇ掺杂生长一层掺杂浓度达３×１０↑［１７］ｃｍ↑［－３］的Ｐ型ＧａＮ层，形成ＬＥＤ器件结构，并对该结构在６００－８００℃经０．１－１小时退火时间进行退火激活，得到在蓝宝石或硅衬底上合成生长的ＧａＮ基ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子阱红光ＬＥＤ结构材料。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张荣，谢自力，刘斌，李毅，苏辉，傅德颐，修向前，华雪梅，赵红，陈鹏，韩平，施毅，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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