CN102067347A - 一种制备InGaN基多量子阱层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用铟镓氮(InGaN)半导体材料制备量子阱的方法，该方法包括：通过向反应室内注入In前驱体气体和Ga前驱体气体，在叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构上于第一预设温度下制备势阱。该方法进一步包括制备所述势阱之后，停止供应Ga前驱体气体，保持供应In前驱体气体流，将反应室内温度升高至第二预设温度，同时将In前驱体气体流速从第一流速调整为第二流速。此外，该方法包括在第二预设温度时对所述势阱进行退火和稳定处理，同时保持第二流速。方法还包括在所述势阱上以第二预设温度制备势垒，同时恢复供应Ga前驱体气体。
Description
技术领域
本发明涉及应用铟镓氮(InGaN)半导体材料的半导体发光器件的制造。更具体而言，本发明涉及一种外延生长具有多量子阱(MQW)结构的高质量半导体材料的技术。
背景技术
已经证实Ⅲ-Ⅴ族氮化物化合物(如GaN，InN，和AIN)和合金化合物(如AlGaN，InGaN，和AlGAlnN)在蓝绿光谱内能产生高亮度的发光。近年来，这种高亮度发光推动其在发光二极管(LED)和激光二极管的应用，反过来也改变了彩显市场。应用Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的高亮度LED为许多先前认为不可行的领域打开了大门，如应用于交通灯和平板显示的白光光源。此外，目前应用Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的紫外激光二极管已被广泛地应用于科学仪表，实验室以及商业产品中。
LED的有源区是产生发光的区域，它通常包括具有多个周期量子阱结构的多量子阱(MQW)结构。单量子阱结构可包括如夹在基于氮化镓(GaN)或氮化铝镓(AlGaN)材料的势垒之间的铟镓氮(InGaN)基势阱。载流子陷于势垒之间的阱内。MQW结构拥有更高的载流子密度并因此增大了载流子复合率。载流子复合越快，发光器件效率越高。
MQW结构中铟(In)的浓度是决定LED发射光颜色的因素之一。具体而言，LED的发光颜色随着InGaN浓度的不同或MQW结构内InGaN∶GaN的比例不同而改变。InGaN的In浓度与GaN之比越大，可见光的波长越长。例如，LED发射绿光时MQW结构内In的浓度高于LED发射蓝光时In的浓度，原因是绿光波长比蓝光波长更长。产生更长波长的光的一个挑战就是在增大MQW结构中In浓度的同时保持MQW结构的质量。
一般来说，LED制造过程包括要对结构施以相对高的温度才能获得高质量MQW结构。在传统方法中，为了增大In的浓度，MQW结构中的InGaN势阱在适中的温度下生长，随后将温度升高至少100℃用于GaN势垒的生长。
为避免InGaN阱内In-N键断裂，制备MQW结构的理想温度是低于800℃。然而，在较低的温度制备MQW结构可能导致低质量的MQW结构。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种应用铟镓氮(InGaN)半导体材料来制备含有至少一个量子阱的有源区的方法。该方法包括通过向反应室内注入In前驱体气体和Ga前驱体气体，于第一预设温度在叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构上制备势阱。该方法进一步包括制备所述势阱后，停止注入Ga前驱体气体，继续通入In前驱体气体，反应室的温度升至第二预设温度，同时将In前驱体气体流速从第一流速调整为第二流速。此外，该方法包括在第二预设温度对所述势阱进行退火和稳定处理，同时保持第二流速。方法还包括在所述势阱上于第二预设温度制备势垒，同时恢复Ga前驱体气体。
在该实施例的一个变型中，所述叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构包括衬底、缓冲层、以及n-型半导体层。
在该实施例的一个变型中，所述第一预设温度为700～950℃。
在该实施例的一个变型中，制备所述势阱包括保持In和Ga前驱体气体流50～200s。
在该实施例的一个变型中，所述In前驱体气体是三甲基铟。
在该实施例的进一步变型中，制备所述势阱包括注入流速为160～360sccm的三甲基铟气体。
在该实施例的一个变型中，所述Ga前驱体气体是TMGa，且制备所述势阱包括注入流速为0.4～2.4sccm的TMGa气体。
在该实施例的一个变型中，所述第二预设温度为830～1050℃。
在该实施例的一个变型中，所述In前驱体气体的第一流速为25～100sccm。
在该实施例的一个变型中，所述In前驱体气体的第二流速为50～300sccm。
在该实施例的一个变型中，在25～400s内完成升高至第二预设温度。
附图说明
构成说明书一部分且附于说明书中的图形用于描述本发明的一些特征。通过参考这些图形中的一或多个并结合这里所给出的描述，可以更好的理解本发明。应注意的是，图形中说明的特征不一定是按规定比例绘制。
图1图示了生长单个InGaN/GaN量子阱结构过程的特征温度-时间图。
图2图示了根据一个实施例制备的含有InGaN/GaN MQW结构的示例性LED的横截面视图。
图3给出流程图说明制备GaN基LED有源区的常规方法。
图4给出流程图说明根据一个实施例的制备GaN基LED有源区的步骤。
具体实施方式
给出以下描述，以使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且这些描述是在具体应用及其需求的背景下提供的。公开实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，且在不离开本发明的精神实质和范围的情况下，这里限定的一般原理可以应用到其它实施例和应用中。因而，本发明不限于所示出的实施例，而是与权利要求的最宽范围一致。
本发明的实施例提供了一种应用InGaN半导体材料外延制备高质量多量子阱(MQW)结构的方法。三甲基铟(TMIn)作为In源。利用上述MQW结构制成的发光二极管(LED)可发出高效的蓝光和绿光。
图1图示了生长单个InGaN/GaN量子阱结构过程特征温度-时间图。这个过程可分成五个周期，分别表示为周期110，120，130，140和150。在周期110期间，InGaN势阱在t1温度下生长。随后，在周期120期间，温度从t1升至t2。接着，在周期130期间，在t2温度下对在周期110内生长的量子阱进行退火和稳定处理。接下来，在周期140期间，在t2温度时生长GaN势垒。然后在周期150期间，降低温度准备其他量子阱或其他结构的生长。
图2图示了根据一个实施例制备的含有InGaN/GaN MQW结构的示例性LED的横截面视图。LED 200包括衬底210，缓冲层220，Ⅲ-Ⅴ族氮化物n-型层230，MQW有源区240，以及Ⅲ-Ⅴ族氮化物p-型层250。MQW有源区240包括多个(如4个)量子阱。在一个实施例中，每个量子阱，也就是组成MQW有源区240中的一个周期，包括InGaN基势阱和GaN基势垒。根据一个实施例，制备MQW有源区240应用的是的富In法。
图3给出流程图说明GaN基LED有源区的常规制备步骤。制备过程包括多个步骤(320-310)。在步骤302中，在反应室内，叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构首先在衬底上制备。叠层结构可包括缓冲层和Ⅲ-Ⅴ族氮化物n-型层。
在n-型层上制备具有一个或多个量子阱的有源区。以下描述的步骤304，306，308及310说明了制备一个量子阱周期的常规过程。对于有源区来说，具有n个量子阱周期就有n次重复的操作。MQW结构中的每个量子阱周期可在大体相同或不同的外延条件下生长。
在步骤304中，对应图1中的周期110，在反应室内，在高于720℃但低于800℃的温度下制备势阱150s。应注意的是，氮气作为载气，三甲基铟和三甲基镓(TMGa)作为前驱体。三甲基铟的流速是260标准立方分米每秒(sccm)，TMGa的流速是1.4sccm。
在步骤306中，对应图1中的周期120，反应室内的温度从800℃逐渐上升至950℃。半导体材料在950℃时在反应室内停留100s。势阱制备完成后，关闭前驱体气流，但继续供应载气。
在步骤308中，对应图1中周期130，反应室内温度保持在950℃大约60s。这60s设定时间稳定了量子阱结构并防止结构内缺陷形成。
在步骤310中，在950℃时外延生长GaN势垒大约60s。开启供应TMGa流且流速从1.4sccm升至8sccm。应注意的是，利用常规方法制备的有源区被正向偏置时，可产生大约470nm波长的可见光。完成步骤310时降低温度。重复步骤304至310预设次数后，然后在有源区上形成Ⅲ-Ⅴ族p-型氮化物层和欧姆接触。
在常规方法中，在步骤306中，势阱制备完成后，关闭前驱体气流，但仍供应载气。同时，在退火处理期间，制备的InGaN半导体材料暴露在高出最初生长温度100℃的温度中。这个更高的温度会打断势阱内的In-N键，导致In汽化，从而减小In的浓度。尽管增大In∶Ga比可增加In的浓度，但是收效甚微。原因是在随后的退火过程期间，一定数量的In仍会从长好的势阱中逃离。
本发明的实施例可实现在InGaN基势阱内保持高浓度的In。在一个实施例中，在相对低的温度下制备In，随后在更高的温度下在富In环境中对结构进行退火。退火期间保持供应三甲基铟前驱体气流。基于期待颜色的发射光来预设TMIn的流速。
图4给出流程图说明根据一个实施例制备GaN基LED有源区的过程。制备过程包括多个步骤(402-410)。在步骤402中，一样用图3所示的方法生长缓冲层和Ⅲ-Ⅴ族氮化物n-型层，在n-型层上形成具有一个或多个量子阱的有源区。以下描述的步骤404，406，408及410阐述了制备一个量子阱周期的过程。对有源区来说，具有n个量子阱周期，这些步骤就要重复n次。MQW结构中的每个量子阱周期可在大体上相同或不同的外延条件下生长。
在步骤404中，应用富In前驱体气体(如TMIn)，在第一温度制备MQW结构的势阱一段时间。在一个实施例中，第一温度高于常规方法操作304中的温度。因此与常规方法相比，本发明实施例生长出更高质量的阱。
在步骤406中，制备阱后，停止供应Ga前驱体气流，但保持供应In前驱体气流，同时反应室内温度逐渐升至第二温度。在一个实施例中，三甲基铟的流速逐渐增大至预设流速，以减少In的汽化率。在一个实施例中，流速从100ml/min增至300ml/min。
在步骤408中，半导体结构在第二温度下停留在反应室内一段时间，目的是为了给制备好的材料退火并稳定。继续以预设流速供应TMIn，但关闭Ga前驱体气流。
在步骤410中，在第二温度下生长势垒一段时间。开始供应TMGa流并将其流速设置得比制备阱时的流速更高。紧接着降低反应室内温度，准备其他结构的下一个量子阱的生长。
最佳实施例
以下给出的是制备GaN基LED有源区的最佳实施例。在衬底上制备包括Ⅲ-Ⅴ族氮化物层的叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构后，在n-型层上制备具有5个量子阱的有源区。下面描述的是生长一个量子阱周期的步骤，这样的步骤要重复5次。
在反应室内外延生长MQW结构的InGaN势阱，生长温度大约为830℃，时间持续大约150s。第一温度高于常规方法中的第一温度。与采用常规方法制备相比，更高的温度得到更高质量的量子阱。氮气作为载气，TMIn和TMGa作为前驱体。TMIn的流速大约为260标准毫升每分钟，TMGa的流速大约为1.4标准毫升每分钟。
反应室内温度从830℃逐渐上升至大约950℃。半导体材料在950℃的温度下停留在反应室内大约100s。关闭TMGa流，但三甲基铟的流速从50标准毫升每分钟逐渐增大至150标准毫升每分钟，以减少In的汽化率。
反应室温度保持在950℃大约60s，以用于制备好的材料退火和稳定。这60s设定时间稳定了MQW结构并防止了缺陷形成。继续以150标准毫升每分钟的流速供应三甲基铟流，同时关闭TMGa。
InGaN势阱制备完成后，在950℃时外延生长GaN势垒大约60s。开启TMGa流并设定流速为8标准毫升每分钟。制备好的有源区产生大约470nm波长的光且具有7mW的输出功率。随后，降低反应室内的温度，准备用于下一个量子阱周期的生长。
给出不同的实施例，详细的描述以及不同例子对本发明进行阐述的目的是为了便于本发明不同特征或组成的实施执行。然而，发明人并非旨在将本发明限于所示的说明。在不偏离本发明精神实质的前提下，可以对本发明的特征或组成做出修改，但是修改仍然在所附权利要求的范围内。
Claims (22)
1.一种利用铟镓氮(InGaN)半导体材料制备含有至少一个量子阱的有源区的方法，该方法包括：
通过往反应室内注入In前驱体气体和Ga前驱体气体，于第一预设温度在叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构上制备势阱；
制备所述势阱之后，停止供应Ga前驱体气体，保持供应In前驱体气体流，反应室内温度升至第二预设温度，同时将In前驱体气体流速从第一流速调整为第二流速；
在第二预设温度下对所述势阱进行退火和稳定处理，同时保持所述第二流速；
在所述势阱上于所述第二预设温度制备势垒，同时恢复供应Ga前驱体气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构包括衬底，缓冲层和n-型半导体层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一预设温度为700～950℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于制备所述势阱包括保持所述In和Ga前驱体流速50～200秒。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述In前驱体气体是三甲基铟。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于制备所述势阱包括注入流速为160～260标准毫升每分钟的三甲基铟气体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述Ga前驱体气体为三甲基镓，且制备所述势阱包括注入流速大约为0.4～2.4标准毫升每分钟的TMGa气体。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二预设温度为850℃～1050℃。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述In前驱体气体的第一流速为25～100标准毫升每分钟。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述In前驱体气体的第二流速为50～300标准毫升每分钟。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在25～400s内完成升高至所述第二预设温度。
12.一种含有包括至少一个基于InGaN半导体材料的量子阱的有源区的发光器件，该器件包括：
叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构；
在所述叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构上的势阱，其中势阱是通过下列步骤制备：将所述叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构放置在第一预设温度的反应室内，向反应室内注入In前驱体气体和Ga前驱体气体，制备所述势阱之后，停止所述Ga前驱体气体，保持所述In前驱体气体流，反应室内温度升至第二预设温度，同时将所述In前驱体气体的流速从第一流速调整为第二流速，以及在所述第二预设温度下对所述势阱进行退火和稳定处理，同时保持所述第二流速；
在所述势阱上于所述第二预设温度制备的势垒；以及
Ⅲ-Ⅴ族p-型氮化物层。
13.根据权利要求12所述的器件，其特征在于所述叠层Ⅲ-Ⅴ族氮化物结构包括缓冲层和n-型半导体层。
14.根据权利要求12所述的器件，其特征在于所述第一预设温度为700～950℃。
15.根据权利要求12所述的器件，其特征在于注入所述In和Ga前驱体气体包括保持所述In和Ga前驱体气流50～200s。
16.根据权利要求12所述的器件，其特征在于所述In前驱体气体为三甲基铟。
17.根据权利要求16所述的器件，其特征在于注入所述In前驱体气体包括注入流速为160～360标准毫升每分钟的三甲基铟气体。
18.根据权利要求12所述的器件，其特征在于所述Ga前驱体气体是TMGa，其中注入所述Ga前驱体气体包括注入流速为0.4～2.4标准毫升每分钟的TMGa气体。
19.根据权利要求12所述的器件，其特征在于所述第二预设温度为850～1050℃。
20.根据权利要求12所述的器件，其特征在于所述In前驱体气体的第一流速为25～100标准毫升每分钟。
21.根据权利要求12所述的器件，其特征在于所述In前驱体气体的第二流速为50～300标准毫升每分钟。
22.根据权利要求12所述的器件，其特征在于在25～400s内完成升高至所述第二预设温度。
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