CN1322596C - 氮化物多量子阱发光二极管结构的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化物多量子阱发光二极管的生长方法。采用金属有机化合物气相沉积方法先在带有陪片的石墨舟上生长一层AlGaN薄膜；然后置换另一带有蓝宝石衬底的石墨舟；再按正常工艺生长氮化物多量子阱发光二极管结构。可提高氮化物多量子阱发光二极管外延片的晶体质量，提高氮化物多量子阱蓝色、紫色及紫外发光二极管外延片光荧光(PL)强度。进而，提高氮化物蓝色、紫色及紫外发光二极管的发光强度。可广泛应用于金属有机化学气相沉积技术领域。
Description
技术领域：本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，尤其涉及一种氮化物多量子阱发光二极管的生长方法。
背景技术：
目前，铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱发光二极管主要有以下生长方法：
1)在衬底(蓝宝石、碳化硅、砷化镓等)上直接生长
见S.Nakamura et al.，Apply.Phys.Lett.58，2021(1991)；C.I.Park et al.，Journal of Crystal Growth 224(2001)190-194；和C.R.Abernathy rt al.，Appl.Phys.Lett.66，1632(1995)。
MOCVD生长氮化物材料和器件的主要障碍是没有晶格完全匹配的衬底材料。
目前普遍使用的是蓝宝石衬底。其价格较低、高温稳定性好。但是不能制造电极，晶格和热膨系数也存在较大的差异。
碳化硅(SiC)本身具有蓝光发光特性，也可以制作电极，其晶格常数和热膨胀系数更接近III族氮化物。但是，SiC比蓝宝石成本高。
砷化镓(GaAs)价格比较便宜，可以制作电极，并可能实现与GaAs基器件的集成。但GaAs衬底高温下易分解，需进一步改进。
硅(Si)衬底也具有低成本，散热好，可以制作电极，便于光电集成等优点。但是GaN与Si的晶格常数和热胀系数相差太大，会使GaN外延层中的位错密度高达1010-1012cm-2。
利用侧向外延(LEO)技术，在Si(III)衬底上外延GaN，位错密度可以降低3-4个数量级。该方法缺点是外延层与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，外延层中的位错密度较大(大约1010cm-2)，影响器件的发光性能，优点是工艺简单，所以应用比较普遍。
2)在刻有图形的衬底上利用侧向外延技术生长。
见S.Mochizuki et al.，Journal of Crystal Growth 237-239(2002)1065-1069和H.Lahreche et al.，Journal of Crystal Growth 205(1999)245-252。
该方法获得的外延晶体质量较高(大约106～107cm-2)，但是工艺比较复杂。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种对蓝宝石衬底进行处理，从而增加氮化物发光二极管发光强度的方法。
本发明步骤包括：
1)采用金属有机化学气相沉积方法(MOCVD方法)在带有陪片的石墨舟上生长一层AlGaN薄膜：
具体为：采用金属有机化学气相沉积方法，于1000℃～1150℃下以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)为源，在带有蓝宝衬底(0001晶向)陪片的石墨舟上生长一层约0.5～1μm厚的铝镓氮(AlxGa1-xN，x＝0.05～0.20)合金薄膜；
2)置换另一带有蓝宝石衬底(0001)的石墨舟；
3)按MOCVD方法正常工艺生长氮化物多量子阱发光二极管。
MOCVD方法生长氮化物多量子阱发光二极管的正常工艺过程为：氢气(H2)氛下，1100℃～1150℃左右高温烘烤衬底5～15分钟，降温至500℃～550℃氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温氮化镓(GaN)成核层，升温至1000℃～1060℃以硅烷为掺杂剂生长2～3μm厚的N型氮化镓(n-GaN)，降温到700℃～850℃左右生长氮化物多量子阱，升温到1000℃～1150℃以二茂镁(Cp2Mg)为掺杂剂生长P型氮化镓(p-GaN)。
常规的氮化物生长首先在蓝宝石衬底(0001)上生长低温氮化镓(GaN)成核层。在随后的升温过程中，部分分解。残留的部分再结晶，形成成核中心。然后进行高温外延生长，在这一过程中成核中心将沿外延生长方向(0001)及蓝宝石衬底平面的各个方向生长。其中沿蓝宝石衬底平面的各个方向的生长将使各成核中心融合，外延层逐渐变平滑光亮。而沿外延生长方向(0001)的生长，将使穿透型位错在晶核的侧壁发生弯曲而减少了其到达外延层表面的几率，提高外延层的质量。见K.Hiramatsu et al.，Journal of CrystalGrowth 221(2000)316-326。
本发明通过预先生长铝镓氮合金，在反应室内部(主要在其顶部)形成铝镓氮颗粒。在正常工艺开始前，这些铝镓氮颗粒将落到蓝宝石衬底上。随后的正常工艺生长的低温氮化镓(GaN)成核层在高温下再结晶时，将以这些铝镓氮颗粒为成核中心。这时的成核中心数量将比使用常规的氮化物生长法的成核中心数量少。要使外延层逐渐变平滑光亮，需要更长的时间，也就是需要更厚的外延层厚度。这样沿外延生长方向(0001)的生长也得到加强，更加有利于穿透型位错在晶核的侧壁发生弯曲而减少其到达外延层表面的几率，提高外延层的质量。这种方法的机理类似于侧向外延技术，但比侧向外延技术简便很多，样品受污染的机会也少很多。
而外延层的光荧光强度直接和外延层的质量相关，这就解释了附图1、2的结果。另外，由于蓝光二极管外延片中铟的含量高，对穿透型位错的敏感性不如紫光二极管外延片(铟的含量低)。导致该方法对紫光二极管外延片的提高效果更加显著，见附图2。
本发明方法可提高氮化物多量子阱发光二极管外延片的晶体质量，提高氮化物多量子阱蓝色、紫色及紫外发光二极管外延片光荧光(PL)强度。进而，提高氮化物蓝色、紫色及紫外发光二极管的发光强度。本发明的有效效果可通过附图1和2中本发明与现有技术的效果对比显示出来。
附图说明：
图1采用本发明与采用现有技术的蓝光发光二极管发光强度对比示意图三角线型代表本发明，圆圈线型代表现有技术
图2采用本发明与采用现有技术的紫光发光二极管发光强度对比示意图
具体实施方式：
实施例1：
采用金属有机化学气相沉积方法，于1000℃～1150℃下以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)为源，在带有蓝宝石衬底陪片的石墨舟上生长一层约0.5μm的铝镓氮(Al0.05Ga0.95N)合金薄膜；置换另一带有蓝宝石衬底(0001)的石墨舟。按正常工艺生长氮化物多量子阱发光二极管结构。正常工艺过程为：氢气(H2)氛下，1100℃左右高温烘烤衬底5分钟，降温至500℃氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温氮化镓(GaN)成核层，升温至1000℃以硅烷为掺杂剂生长2μm厚的N型氮化镓(n-GaN)，降温到700℃左右生长氮化物多量子阱，升温到1000℃以二茂镁(Cp2Mg)为掺杂剂生长P型氮化镓(p-GaN)。
实施例2：
采用金属有机化学气相沉积方法，于1150℃下以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)为源，在带有蓝宝石衬底陪片的石墨舟上生长一层约1μm的铝镓氮(Al0.2Ga0.8N)合金薄膜；置换另一带有蓝宝石衬底(0001)的石墨舟。按正常工艺生长氮化物多量子阱发光二极管结构。正常工艺过程为：氢气(H2)氛下，1150℃左右高温烘烤衬底15分钟，降温至550℃氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温氮化镓(GaN)成核层，升温至1060℃以硅烷为掺杂剂生长3μm厚的N型氮化镓(n-GaN)，降温到850℃左右生长氮化物多量子阱，升温到1150℃以二茂镁(Cp2Mg)为掺杂剂生长P型氮化镓(p-GaN)。
实施例3：
采用金属有机化学气相沉积方法，于1100℃下以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)为源，在带有蓝宝石衬底陪片的石墨舟上生长一层约0.8μm的铝镓氮(Al0.1Ga0.9N)合金薄膜；置换另一带有蓝宝石衬底(0001)的石墨舟。按正常工艺生长氮化物多量子阱发光二极管结构。正常工艺过程为：氢气(H2)氛下，1130℃左右高温烘烤衬底12分钟，降温至530℃氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温氮化镓(GaN)成核层，升温至1050℃以硅烷为掺杂剂生长2.3μm厚的N型氮化镓(n-GaN)，降温到800℃左右生长氮化物多量子阱，升温到1100℃以二茂镁(Cp2Mg)为掺杂剂生长P型氮化镓(p-GaN)。
采用这一特殊方法所得样品结果比较见两附图。其中紫光LED的光荧光强度为普通工艺的6倍，而蓝光LED的光荧光强度为普通工艺的2倍。
Claims (3)
1、一种氮化物多量子阱发光二极管结构的生长方法，其步骤包括：
1)采用金属有机化学气相沉积方法在带有陪片的石墨舟上生长一层AlGaN薄膜；
2)置换另一带有蓝宝石衬底的石墨舟；
3)按金属有机化学气相沉积方法正常工艺生长氮化物多量子阱发光二极管结构。
2、如权利要求1所述的氮化物多量子阱发光二极管结构的生长方法，其特征在于所述1)包括：采用金属有机化学气相沉积方法，于1000℃～1150℃下以三甲基镓、三甲基铝和氨气为源，在带有蓝宝石衬底陪片的石墨舟上生长一层0.5～1μm厚的AlxGa1-xN合金薄膜，其中x＝0.05～0.20。
3、如权利要求1所述的氮化物多量子阱发光二极管结构的生长方法，其特征在于所述金属有机化学气相沉积方法正常工艺过程为：氢气氛下，1100℃～1150℃高温烘烤衬底5～15分钟，降温至500℃～550℃氮化，并以三甲基镓和氨气为源生长低温氮化镓成核层，升温至1000℃～1060℃以硅烷为掺杂剂生长2～3μm厚的N型氮化镓，降温到700℃～850℃生长氮化物多量子阱，升温到1000℃～1150℃以二茂镁为掺杂剂生长P型氮化镓。
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Effective date of registration: 20131119 Address after: 523808 Guangdong province Dongguan Songshan Lake high tech Industrial Development Zone Technology Park Building 4 Building 417, room 418 Patentee after: DONGGUAN INSTITUTE OF OPTO-ELECTRONICS PEKING University Address before: 100871 No. 5, the Summer Palace Road, Beijing, Haidian Patentee before: Peking University |
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Effective date of registration: 20170821 Address after: 523000, building 4, building 1, building 407, innovation and Technology Park, Songshan hi tech Industrial Development Zone, Dongguan, Guangdong Patentee after: Dongguan Yanyuan Investment Co.,Ltd. Address before: 523808 Guangdong province Dongguan Songshan Lake high tech Industrial Development Zone Technology Park Building 4 Building 417, room 418 Patentee before: Dongguan Institute of Opto-Electronics Peking University |
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Effective date of registration: 20171212 Address after: Wujiang District of Suzhou City, Jiangsu province 215000 Lili town FENHU Road No. 558 Patentee after: SINOPOWER SEMICONDUCTOR CO.,LTD. Address before: 523000, building 4, building 1, building 407, innovation and Technology Park, Songshan hi tech Industrial Development Zone, Dongguan, Guangdong Patentee before: Dongguan Yanyuan Investment Co.,Ltd. |
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