CN101872719B - 改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善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。

Description

改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法

技术领域

本发明涉及一种改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法，属于光电子技术领域。

背景技术

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(MOCVD)。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MOCVD，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MOCVD生长炉的反应室内500℃--700℃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℃--1200℃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℃--800℃，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℃-1200℃，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N₂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 of nitridesemiconductor 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组分分布不均匀。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组分就会变得不均匀，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匀性变差，增加了发光带宽，最终使发光效率降低。

发明内容

本发明针对现有InGaN量子阱内的In组分不均匀问题，提供一种改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法，该方法可显著改善In原子的引入效率，使量子阱内的In组分更加均匀，得到界面组分突变好、发光效率高的InGaN量子阱。

本发明的改善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组分更均匀。

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一段时间，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组分更均匀，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。

本发明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MOCVD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是本发明实施例1中生长量子阱时的TMIn的流量示意图。

图3是本发明实施例2中生长量子阱时的渐变TMIn流量示意图。

图4是本发明实施例3中生长量子阱时的TEGa流量示意图。

图5是本发明实施例4中生长量子阱时的先通入TMIn的示意图。

具体实施方式

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(60umol/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一段时间，使量子阱表面过多的In挥发，保证量子阱上下界面的In组分均匀性。生长完InGaN量子阱后，把系统温度升高到800℃-900℃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(60umol/min)，如图3所示。与实施例1的不同是，本实施例是将TMIn流量逐渐渐变到正常流量。

实施例3

本实施例是在生长InGaN量子阱的前20秒钟把TEGa流量设定为70umol/min，再跳变陡降到正常流量(60umol/min))，如图4所示。这样，量子阱的开始阶段通过加大TEGa流量也会适当增加量子阱中In组分。生长完一个量子阱后，停止通入TEGa和TMIn一段时间，使量子阱表面过多的In挥发，保证量子阱上下界面的In组分均匀性。

实施例1--实施例3中在生长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％都是可以的。

实施例4

本实施例是在生长多量子阱(MQW)之前预先按常规正常生长流量(60umol/min)通入20秒的TMIn，使量子阱生长前的GaN表面有一层In原子，之后再按常规正常生长流量通入TEGa，这样也会提高量子阱开始阶段的In组份。如图5所示。生长完一个量子阱后，停止通入TEGa和TMIn一段时间，使量子阱表面过多的In挥发，保证量子阱上下界面的In组分均匀性。

Claims (3)

1.一种改善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秒内使三乙基镓或三甲基铟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三乙基镓和三甲基铟之前，先以常规正常生长流量通入三甲基铟20秒；在一个InGaN量子阱生长结束后，停止通入三乙基镓和三甲基铟，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，常规正常生长流量是指60umol/min。

2.根据权利要求1所述的改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法，其特征是：所述三乙基镓或三甲基铟的流量由高出常规正常生长流量变到常规正常生长流量是通过跳变陡降式进行的。

3.根据权利要求1所述的改善InGaN量子阱的In组分均匀性的外延生长方法，其特征是：所述三乙基镓或三甲基铟的流量由高出常规正常生长流量变到常规正常生长流量是通过逐渐渐变式进行的。

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