CN103715071B - 一种铝铟镓氮四元合金薄膜材料的mocvd外延加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝铟镓氮四元合金薄膜材料的MOCVD外延加工方法，属于半导体技术领域。通过金属有机物化学气相淀积MOCVD外延技术，以交替匹配生长原子层级厚度的三元合金铟镓氮（InGaN）和铝镓氮（AlGaN）材料的方法形成铝铟镓氮四元合金薄膜材料。采用以上工艺制备成的AlInGaN四元合金薄膜材料达到以下参数指标：①X射线衍射谱XRD（002）对称面的半峰高宽<240秒；②材料表面粗糙度<1nm；③与氮化镓GaN的c面晶格常数失配度<0.5%。
Description
技术领域
本发明涉及铝铟镓氮（AlInGaN）四元合金薄膜材料的外延生长工艺方法，属于半导体技术领域。
背景技术
发光二极管LED器件近年来取得了飞速的进展，已被广泛应用于消费电子产品和各类型指示光源。但目前LED器件的发光性能仍受到其量子阱的内量子效率的制约，诸如材料的极化效应以及高质量量子阱结构的制备等。研究表明：通过将四元合金AlInGaN薄膜材料作为LED量子阱结构的垒层材料能有效提升发光二极管光电性能。AlInGaN材料具有以下优点：晶格常数可独立调节，实现晶格匹配，显著减小极化效应；抑制能带结构中带尾态的产生；带隙补偿值较大，能有效增强载流子限制效应，提高载流子辐射复合发光效率；可以作为有效的热保护覆盖层，有效减少高温生长过程中的热损伤并抑制非辐射复合中心的产生；通过应变工程设计，能够控制阱层的晶格应变状况，调节放大量子阱的发光范围。
AlInGaN四元合金材料及其在量子阱结构中的运用研究已经取得相当的进展，但高质量AlInGaN四元合金材料的生长制备还比较困难，具体体现在：1、GaN基二元合金材料体系中各材料键长键能不同，互溶性较差，分解温度差异巨大，以及生长过程中元素解吸附等问题导致AlInGaN材料合金组分容易偏离晶格匹配的组分值，并且随着生长温度的提高，AlInGaN四元合金材料无序化程加剧并诱发组分波动，金属原子在应力场作用下发生迁移，形成随机分布的金属团簇，导致了相分离和旋节线分解等生长问题。2、AlInGaN四元合金材料的组分牵引效应和应变效应会随着材料厚度增加变得显著，导致表面形貌恶化形成六角坑缺陷。3. AlInGaN与InGaN的异质界面质量难以控制，组分的偏离和界面的退化都容易使设计的晶格匹配发生偏移，从而降低量子阱的内量子效率。
发明内容
针对AlInGaN四元合金薄膜材料生长技术难题，本发明提出一种组分均匀、带隙宽度可控、晶格匹配度高的基于MOCVD外延系统的AlInGaN材料的加工方法。
本发明通过金属有机物化学气相淀积MOCVD外延技术，以交替匹配生长原子层级厚度的三元合金铟镓氮（InGaN）和铝镓氮（AlGaN）材料的方法形成铝铟镓氮四元合金薄膜材料。
采用以上工艺制备成的AlInGaN四元合金薄膜材料达到以下参数指标：①X射线衍射谱XRD（002）对称面的半峰高宽<240秒；②材料表面粗糙度<1nm；③与氮化镓GaN的c面晶格常数失配度<0.5%。
本发明更适合于提升量子阱结构内量子效率的实际需求，通过将AlInGaN作为垒层材料运用到量子阱结构的垒层材料中，可以兼顾到降低极化效应以及抬升量子阱势垒高度等多重工艺目的，最终达到提升LED量子阱效率50%以上。
另，所述MOCVD的MO源流量满足：TMA/TMI=4.66，以实现与GaN材料面内晶格常数的高度匹配。
本发明还通过调节MO源流量改变AlGaInN带隙宽度Eg，使AlInGaN材料带隙宽度的可调范围扩展到0.6eV~6.2eV。
本发明通过对MOCVD核心生长参数进行系统调控，达到生长高质量AlInGaN材料目的。
本发明通过交替匹配生长原子层级厚度的三元合金InGaN和AlGaN的工艺方法，对MOCVD外延制备系统三五族Ⅲ/V元素流量比以及生长速率进行整体调控，提升AlInGaN材料表面金属原子的迁移能力和金属元素掺入的效率，实现材料表面平整，金属元素分布均匀，达到与GaN晶格常数高度匹配。
附图说明
图1为四元合金AlInGaN与GaN材料晶格匹配及带隙宽度图。
图2为以本发明工艺形成的四元合金AlInGaN薄膜材料生长示意图。
图3为传统的一次性四元合金AlInGaN薄膜材料生长后形成的薄膜材料生长示意图。
具体实施方式
生产设备、材料：
1、金属有机物化学气相淀积MOCVD卫星盘式2英寸11片机制备系统。
2、金属有机物MO生长源：三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMln1,TMln2）分别作为四元合金AlInGaN材料中镓、铝、铟源。
3、氨气（NH3），作为氮源。
4、MO源进气辅助气路。
MO生长源和氨气以及辅助气路通过独立管道和独立系统输入MOCVD反应室。
通过调节MOCVD的MO源流量、生长温度以及压力等工艺参数，MOCVD的MO源流量设置满足：TMA/TMI=4.66，实现与GaN材料面内晶格常数的高度匹配。
如图1所示，通过调节MO源流量改变AlGaInN带隙宽度Eg，使AlInGaN材料带隙宽度的可调范围扩展到0.6eV~6.2eV。
AlxInyGa1-x-yN材料带隙宽度可根据下式求解：
其中x,y,1-x-y分别是Al，In，Ga金属元素的合金比例，B(AlInN)，B(AlGaN) ,
B(InGaN)分别表示AlInN，AlGaN，InGaN三元合金材料的能带弯曲参数。
本实施例中具体步骤为：
步骤1：通过MOCVD制备系统在H2环境下高温烘烤C面（蓝宝石）衬底，采用两步生长法制备GaN支撑层：在520℃低温下制备GaN成核层，升温退火后生长厚度2μm的GaN层。
步骤2：以氮气（N2）作载气，通入MO源TMI，TMG，计算设定生长时间，制备原子层级厚度的InGaN三元合金薄膜。
步骤3：切断TMI源，通入TMA源，计算设定生长时间，制备原子层别厚度的AlGaN三元合金薄膜。
步骤4：循环重复步骤2和3，达到AlGaInN材料具体的厚度参数要求。
本实施例采用MOCVD外延生长办法，将三元合金交替匹配生长的AlGaInN材料运用到量子阱结构中。根据弹性第一性原理，InGaN量子阱的阱层简单适配于其垒层的晶格常数；假设量子阱结构是完全应变的，AlGaInN垒层的应变强度会直接影响到InGaN阱层的材料质量和位错密度。因此AlGaInN与GaN晶格匹配，可以独立调节自发极化和应变，改善InGaN阱层的结晶质量。根据量子阱发光波长的改变，相应调节AlInGaN垒层材料的带隙宽度，提高对注入载流子的限制能力，防止电子溢流现象。
从图2可见，采用本发明工艺形成的四元合金AlInGaN薄膜材料中InGaN三元合金和AlGaN三元合金的排列具有极好的规律性。
从图3可见，采用传统的四元合金一次生长后形成的薄膜材料中合金元素分布杂乱。
可见，本发明可以取代传统的合金MO源共掺的办法，能很好地解决材料组分波动、合金无序化以及缺陷形成的问题。
Claims (2)
1.一种铝铟镓氮四元合金薄膜材料的MOCVD外延加工方法，其特征在于通过金属有机物化学气相淀积MOCVD外延技术，以交替匹配生长原子层级厚度的三元合金铟镓氮和铝镓氮材料的方法形成铝铟镓氮四元合金薄膜材料；所述MOCVD的MO源流量满足：TMA/TMI=4.66。
2.根据权利要求1所述外延加工方法，其特征在于调节MO源流量改变AlGaInN带隙宽度Eg，使AlInGaN材料带隙宽度的可调范围为0.6eV~6.2eV。
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