CZ2018563A3 - Způsob výroby epitaxní struktury s InGaN kvantovými jamami - Google Patents
Způsob výroby epitaxní struktury s InGaN kvantovými jamami Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2018563A3 CZ2018563A3 CZ2018-563A CZ2018563A CZ2018563A3 CZ 2018563 A3 CZ2018563 A3 CZ 2018563A3 CZ 2018563 A CZ2018563 A CZ 2018563A CZ 2018563 A3 CZ2018563 A3 CZ 2018563A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- ingan
- growth
- temperature
- quantum well
- barrier layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 75
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 claims abstract description 15
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 103
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 25
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 22
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 18
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 15
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 7
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 6
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 241000764773 Inna Species 0.000 claims 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 abstract description 14
- 238000003795 desorption Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 43
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 13
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02387—Group 13/15 materials
- H01L21/02389—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
Vynález se týká způsobu přípravy InGaN kvantových jam pomocí organokovové epitaxe nebo epitaxe z molekulárních svazků. Podstata vynálezu spočívá ve způsobu překrývání InGaN tenkých vrstev (kvantových jam), které brání nežádoucí desorpci In z InGaN vrstvy a navíc má takto připravené rozhraní dokonalejší krystalografickou strukturu. Překryv InGaN kvantových jam probíhá bez přerušení růstu během procesu zvyšování teploty na teplotu nutnou pro kvalitní růst bariérové, nejčastěji GaN vrstvy. Při růstu krycí vrstvy může být do reaktoru s výhodou přidáváno malé množství In, čímž je ještě účinněji bráněno desorpci In z InGaN kvantových jam. Zvýšení koncentrace InN složky v kvantové jámě způsobem podle tohoto vynálezu je čtyřnásobné, jak bylo ukázáno na výsledcích měření metodou hmotnostní spektroskopie sekundárně odprášených iontů s vysokým hloubkovým rozlišením. Struktury s takto připraveným rozhraním mají několikanásobně vyšší intenzitu luminiscence.Pokud je struktura zabudována do oblasti p-n přechodu, lze ji využívat jako emisní diodu nebo fotovoltaickou strukturu. Vrstvy InGaN kvantových jam připravené podle tohoto vynálezu pomáhají prodloužit vlnovou délku emitovaného světla nebo rozšířit interval detekovaného světla k nižším energiím (delším vlnovým délkám).
Description
Vynález se týká vícevrstvých polovodičových struktur na bázi nitridu gallia, které lze využít zejména pro svítivé diody, solární články nebo scintilátory, které obsahují kvantové jámy z InGaN (slitinového polovodiče z InN a GaN) se zvýšeným obsahem InN.
Dosavadní stav techniky
Nejrozšířenější strukturou pro svítivé diody vyzařující v modré a zelené oblasti viditelného spektra jsou polovodičové struktury na bázi GaN s vnořenými tenkými vrstvami slitinového polovodiče InGaN, tzv. kvantovými jamami. Protože jsou zejména modré diody v současnosti široce využívány pro bílé osvětlení, podsvícení displejů počítačů, tabletů a mobilních telefonů, je tato oblast techniky pokryta řadou patentů, např. WO 2008056632, US 2009258452, US 2010150194, nebo US 2014145147. I z nepatentové literatury jsou známá řešení týkající se výše uvedené oblasti techniky, např. Jianping Liu, et al.: Realization of InGaN laser diodes above 500 nm by growth optimization of the InGaN/GaN active region, Applied Physics Express, Volume 7, Number 11, Published 17 October 2014. Všechny tyto patentové i nepatentové dokumenty se týkají různého druhu InGaN/GaN heterostruktur a jejich aplikací. V posledních letech se soustřeďuje snaha technologů na vytvoření struktury vyzařující na delších vlnových délkách od zelené až po oranžovou. Prodloužení vlnové délky vyzařovaného spektra však vyžaduje zvýšení obsahu InN v InGaN kvantových jamách, což je technologicky velice těžce proveditelné. In je ve srovnání s galliovým atomem velké a do struktury se zabudovává velmi neochotně jen za snížené teploty. Nižší teplota přípravy InGaN kvantových jam má však za následek snížení intenzity vyzařovaného světla kvůli nedokonalosti krystalové struktury. Navíc pro zvýšení intenzity vyzařovaného světlaje nutné zvýšit teplotu epitaxe při růstu GaN vrstev oddělujících jednotlivé InGaN kvantové jámy. Při zvýšení teploty však dochází k desorpci InN složky z tenké InGaN vrstvy. Tomu se zabraňuje depozicí tenké krycí GaN vrstvy za nízké teploty, která je vyžadována pro epitaxi InGaN. Tloušťka této GaN krycí vrstvy odpovídá tloušťce jedné až dvou atomárních mono vrstev. Teprve po zakrytí InGaN vrstvy nízkoteplotní GaN vrstvou je teplota zvýšena a při vyšší teplotě je připraven zbytek GaN bariéry [R.A.01iver et al., Appl. Phys. Lett 103 (2013) 141114], Schéma tohoto technologického postupuje znázorněno na obr. 1 (a) pro kvantovou jámu s konstantním složením. Tento technologický postup však generuje krystalografické defekty snižující efektivitu luminiscence světelných diod. Navíc bylo zjištěno, že ani tento postup nezabraňuje dostatečně desorpci InN z kvantových jam. Pro zlepšení luminiscenčních vlastností kvantových jam lze použít kvantové jámy s gradovaným složením překryté opět nízkoteplotní GaN vrstvou [R.J.Choi et al., Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 2763-6], Schéma tohoto technologického postupu je znázorněno na obr. l(b). V poslední době byl proto technology navržen nový typ krycích vrstev AlGaN, protože Al atomy vytvářejí pevnější vazby a dokonaleji brání desorpci In [D.D.Koleske et al., J. Cryst. Growth 415 (2015) 57-64], Nevýhodou tohoto postupu je však velice nedokonalé rozhraní, protože AlGaN vyžaduje přirozeně ještě vyšší teplotu epitaxe pro vytvoření kvalitního krystalu.
Předložený vynález navrhuje nové složení a technologii výroby krycí vrstvy InGaN kvantových jam tak, aby bylo zabráněno úniku InN z InGaN tenkých vrstev a zároveň byla zachována vysoká krystalografická kvalita rozhraní mezi vrstvou kvantové jámy a bariéry.
Podstata vynálezu
Jak je výše uvedeno, vynález se týká způsobu přípravy epitaxní vícevrstvé polovodičové struktury na bázi nitridu gallia GaN s vnořenými tenkými vrstvami směsného nitridu gallia a
- 1 CZ 2018 - 563 A3 india, tzv. kvantovými jamami. Směsný nitrid gallia a india je zde pro jednoduchost označován bez ohledu na poměr obsahu gallia Ga a india In jako InGaN, tedy vzorcem nevyjadřujícím stechiometrii. Při přípravě takovýchto vícevrstvých struktur se známým způsobem vylučováním z plynných prekurzorů nebo z molekulárních svazků epitaxně nanáší sled InGaN kvantových jam oddělených vrstvami, které mají funkci potenciálových bariér, a jsou označovány dále jako bariérové vrstvy. Při epitaxním nanášení InGaN kvantových jam se udržuje teplota nižší, než je teplota při epitaxním nanášení bariérových vrstev. Přitom je žádoucí při růstu bariérové vrstvy co nejvíce zabránit desorpci india z InGaN kvantové jámy. K tomu účelu je nezbytné vytvořit tenkou vrstvu mezi InGaN kvantovou jámou a bariérovou vrstvou, která této desorpci In brání. Tato vrstva je zde dále označována jako krycí vrstva a má již funkci potenciálové bariéry ke kvantové jámě. Původci vynálezu zjistili, že krycí vrstvu, která chrání InGaN kvantovou jámu, je možné vytvořit způsobem, při kterém se epitaxní růst bariérové vrstvy provádí bez přerušení dodávání atomů gallia, které se ve formě nitridu zabudovávají do krystalové mřížky.
Při způsobu podle vynálezu se vždy bezprostředně po nanesení InGaN kvantové jámy během zvyšování teploty kontinuálně nanáší krycí vrstva a následně při vyšší teplotě bariérová vrstva, přičemž epitaxní nanášení krycí a bariérové vrstvy se provádí ze směsi plynů obsahující organokovový prekurzor Ga a/nebo prekurzor AI a amoniak NH3, přičemž toto nanášení krycí a bariérové vrstvy se provádí bez přerušení přivádění směsi plynů obsahující organokovový prekurzor Ga a/nebo prekurzor AI. Prekurzory pro růst těchto vrstev jsou typicky triethylgallium (CzHsjsGa nebo trimethylgallium (CHsjsGa, a trimethylindiunXCHsjsIn. Použití (C/HshGa snižuje, oproti (CHsjsGa, uhlíkovou kontaminaci vrstev, avšak tento prekurzor nesmí být použit pro růst za teploty vyšší než 900 °C, jinak dochází k reakci tohoto prekurzorů s amoniakem již v plynné fázi a k zastavení epitaxního růstu. Další složkou přiváděné směsi plynů je inertní plyn, zpravidla dusík.
Epitaxní nanášení krycí a/nebo bariérové vrstvy se s výhodou provádí ze směsí plynů obsahující organokovový prekurzor Ga a/nebo prekurzor AI a dále také prekurzor In. Prekurzor In se s výhodou přivádí zejména tehdy, kdy směs plynů pro nanášení krycí a/nebo bariérové vrstvy obsahuje prekurzor AI.
Nanášení krycí a bariérové vrstvy bez přerušení dodávání atomů, které se zabudovávají do krystalové mřížky, podle předloženého vynálezu je použitelné také při epitaxním nanášení uvedených nitridů kovů z molekulárních svazků. V této variantě způsobu se po dokončení růstu InGaN kvantové jámy pokračuje v nanášení krycí a bariérové vrstvy bez přerušení dodávání atomů, které se zabudovávají do krystalové mřížky, pouze zvýšením proudu Ga atomů.
Překrývání InGaN kvantových jam krycí vrstvou se provádí bez přerušení růstu během procesu zvyšování teploty na teplotu nutnou pro kvalitní růst bariérové, nejčastěji GaN vrstvy, jak bude dále ještě vysvětleno za pomoci připojených obrázků obr. 2(a)-(d). Krycí vrstvou se v rámci tohoto vynálezu rozumí tenká vrstva mezi InGaN kvantovou jámou a bariérovou vrstvou, která má strmě klesající gradient koncentrace In atomů. Při vytváření krycí vrstvy může být do reaktoru s výhodou přidáváno malé množství organokovového prekurzorů In. Přítomnost tohoto prekurzorů v reaktoru ještě účinněji brání desorpci In z InGaN kvantových jam. Teplota epitaxe se během růstu krycí vrstvy spojitě zvyšuje, čímž dochází k prudkému snižování obsahu InN v krycí vrstvě, protože In atomy se za vyšší teploty prakticky nezabudovávají. Epitaxní nanášení kvantové jámy se s výhodou provádí při teplotě nižší než 780 °C a nanášení bariérové vrstvy se s výhodou provádí při teplotě vyšší než 800 °C. Krycí vrstva tedy sestává z GaN nebo z InGaN s obsahem InN složky do 4 % molámích nebo InAIN s obsahem InN složky do 25 % molámích. Na takto připravené krycí vrstvě pak při pokračování provádění způsobu podle vynálezu pokračuje kontinuálně růst bariérové vrstvy, která je nejčastěji tvořena GaN, může však mít i jiná složení např. InGaN, InAIN, AlGaN nebo InAlGaN.
Kvantová jáma se s výhodou nanáší v tloušťce do 5 nm, krycí a bariérová vrstva se s výhodou nanáší v celkové tloušťce větší než 5 nm.
-2CZ 2018 - 563 A3
V průběhu nanášení InGaN kvantové jámy se s výhodou nastavuje poměr přiváděných organokovových prekurzorů india In a gallia Ga tak, aby bylo dosaženo obsahu nitridu india InN v InGaN kvantové jámě alespoň 12 % molámich. V případě použití InGaN krycí vrstvy se během zvyšování teploty bezprostředně po nanesení InGaN kvantové jámy zvýší přivádění prekurzoru Ga, a popřípadě omezí nebo zcela zastaví přivádění prekurzoru In. Obsah InN v krycí vrstvě strmě klesá ve směru epitaxniho růstu od InGaN kvantové jámy k bariérové vrstvě v důsledku zvyšování epitaxní teploty, přičemž obsah InN v bariérové vrstvě je nejvýše 4 % molámi.
V případě použití InAIN krycí vrstvy se během zvyšování teploty bezprostředně po nanesení InGaN kvantové jámy zastaví přivádění prekurzoru Ga a zahájí se přivádění prekurzoru Al.
Vícevrstvé polovodičové struktury na bázi nitridu gallia pro svítivé diody, solární články nebo scintilátory, vyrobitelné způsobem podle vynálezu, jsou charakteristické tím, že prodlužují vlnovou délku emitovaného světla, případně absorpční hrany detekovaného světla o nejméně 15 nm a mají alespoň dvojnásobnou efektivitu luminiscence kvantových jam oproti obdobným strukturám vyrobených konvenčními způsoby, jak bude dále ještě vysvětleno v souvislosti s obr.
4. Tento účinek vynálezu původci připisuji zkvalitnění krystalografické struktury v oblasti rozhraní InGaN/GaN. Pokud je struktura připravena jako fotovoltaická, zvýší se posunem absorpční hrany detekční účinnost struktury ve viditelné oblasti spektra.
Objasnění výkresů
Obr. 1. (a) Schéma sekvence vpouštění organokovových prekurzorů do reaktoru a průběhu epitaxní teploty během běžně používané technologie přípravy struktury s InGaN kvantovými jamami s konstantním složením, která se skládá z následujících kroků: časový interval tl-t2 - růst InGaN kvantové jámy, časový interval t2-t3 - nízkoteplotní růst GaN konzervující kvantovou jámu, časový interval t3-t4 - přerušení růstu, časový interval t4-t5 - růst bariérové vrstvy, časový interval t5-t6 - přerušení růstu.
Obr. 1 (b) Schéma sekvence vpouštění organokovových prekurzorů do reaktoru a průběhu epitaxní teploty během běžně používané technologie přípravy struktury s InGaN kvantovými jamami s gradovaným složením kvantové jámy, která se skládá z následujících kroků: časový interval tl-t2 - růst InGaN kvantové jámy, časový interval t2-t3 - nízkoteplotní růst GaN konzervující kvantovou jámu, časový interval t3-t4 - přerušení růstu, časový interval t4-t5 - růst bariérové vrstvy, časový interval t5-t6 - přerušení růstu.
Obr. 2. (a) Sekvence vpouštění organokovových prekurzorů do reaktoru a schéma průběhu teploty během růstu struktury podle tohoto vynálezu, kdy není přerušen růstový proces během zvyšování teploty epitaxe po ukončení růstu InGaN kvantové jámy. Schéma představuje způsob přípravy struktury podle přikladu 1. Technologický postup se skládá z následujících kroků: časový interval tl-t2 - růst InGaN kvantové jámy, časový interval t2-t3 - růst (In)GaN krycí vrstvy, časový interval t3-t4 - růst (In)GaN bariérové vrstvy, časový interval t4-t5 - přerušení růstu.
Obr. 2 (b) Sekvence vpouštění organokovových prekurzorů do reaktoru a schéma průběhu teploty během růstu struktury podle přikladu 2, kdy je část bariéry tvořena čistým GaN. Technologický postup se skládá z následujících kroků: časový interval tl -t2 - růst InGaN kvantové jámy, časový interval t2-t3 - růst (In)GaN krycí vrstvy, časový interval t3-t4 - růst GaN bariérové vrstvy, časový interval t4-t5 - přerušení růstu.
Obr. 2 (c) Sekvence vpouštění organokovových prekurzorů do reaktoru a schéma průběhu teploty během růstu struktury podle přikladu 3, kdy je celá bariéra tvořena čistým GaN. Technologický postup se skládá z následujících kroků: časový interval tl -t2 - růst InGaN kvantové jámy, časový
-3 CZ 2018 - 563 A3 interval t2-t3 - růst GaN krycí vrstvy, časový interval t3-t4 - růst GaN bariérové vrstvy, časový interval t4-t5 - přerušení růstu.
Obr. 2 (d) Sekvence vpouštění organokovových prekurzorů do reaktoru a schéma průběhu teploty během růstu struktury podle příkladu 4, kdy je část bariéry tvořena InAlN. Technologický postup se skládá z následujících kroků: časový interval tl-t2 - růst InGaN kvantové jámy, časový interval t2-t3 - růst (In)GaN krycí vrstvy, časový interval t3-t4 - růst InAlN bariérové vrstvy, časový interval t4-t5 - přerušení růstu.
Obr. 3. Srovnání složení struktury podle tohoto vynálezu (viz obr. 2(a)) se s klasickou technologií s přerušením růstu během teplotní rampy (viz obr. 1 (b)). Ve spodní části obrázku je znázorněn průběh změřené koncentrace In ve strukturách, v horní části obrázku průběh změřené koncentrace Ga. Zvýšení koncentrace InN složky v kvantové jámě dosažené způsobem přípravy podle tohoto vynálezu je čtyřnásobné ve srovnání s klasickou technologií přípravy. Koncentrace jednotlivých typů atomů byla změřena metodou hmotnostní spektroskopie sekundárně odprášených iontů s vysokým hloubkovým rozlišením. Hloubkového profilu bylo dosaženo postupným pomalým iontovým odprašováním heterostruktury. Na obr. 3 je znázorněna, vždy v molámích procentech, koncentrace Ga podle dosavadního stavu techniky tečkovanou čarou a koncentrace Ga podle vynálezu čárkovanou čarou, a koncentrace In podle dosavadního stavu techniky čerchovanou čarou a koncentrace In podle vynálezu plnou čarou.
Obr. 4. Porovnání fotoluminiscenční spekter struktur s deseti InGaN vrstvami kvantových jam připravených podle tohoto vynálezu (podle příkladů 1-3, viz schéma na obr. 2(a)-(c)) a struktury připravené klasickou metodou podle stavu techniky s přerušením růstu po depozici InGaN kvantové jámy a tenké GaN vrstvy deponované při stejné teplotě jako InGaN kvantová jáma (viz schéma na obr.
l(b)). Pro struktury připravené podle tohoto vynálezu byla prodloužena vlnová délka emitovaného světla a zároveň zvýšena intenzita luminiscence.
Obr. 5. Obrázek přechodu InGaN/GaN heterostruktury připravené podle příkladu 1 pořízený s atomárním rozlišením metodou transmisní elektronové mikroskopie. InGaN kvantové jámy jsou zobrazeny jako oblasti s tmavším kontrastem. Z obrázku je patrné postupné snižování koncentrace In u horního rozhraní kvantových jam způsobený zvyšováním teploty epitaxe během růstu krycí vrstvy. Na obrázku je vyznačeno měřítko.
Příklady uskutečnění vynálezu
Příklad 1 - Fotoluminiscenční struktura s InGaN bariérovými vrstvami a (In)GaN krycími vrstvami mezi deseti InGaN kvantovými jamami s gradovaným složením
Vícevrstvá polovodičová struktura s deseti InGaN kvantovými jamami byla připravena standardně používanou metodou nízkotlaké plynné epitaxe z organokovových sloučenin (LP MOVPE). Každá dvojice InGaN kvantových jam a bariér byla připravena následujícím technologickým postupem podle obr. 2(a): Růst probíhal za sníženého tlaku, tlak v reaktoru byl 400 mbar po dobu růstu obou vrstev. Před růstem InGaN kvantové jámy byl přerušen růst a snížena teplota na 750 °C. Jednotlivé InGaN kvantové jámy byly připraveny v intervalu časů tlt2 (v příkladném provedení byla doba od tl do t2 97 s) s gradovaným složením postupným snižováním epitaxní teploty během růstu InGaN na počátku až k teplotě 730 °C (25 s), následovala epitaxe při konstantní teplotě (42 s), a posléze byla opět zvyšována epitaxní teplota na konci růstu kvantových jam k teplotě 770 °C (30 s). Po růstu InGaN vrstvy byl skokově zvýšen molámí zlomek TEGa z 1,3-10-6 (používaný pro růst InGaN kvantové jámy) na 1,9-10-5 (pro růst bariérové vrstvy), průtok TMIn prekurzoru zůstal zachován (molámí zlomek 1,8-10-5). Bez přerušení růstu byla v intervalu časů t2-t3 (70 s) zvyšována teplota epitaxe z hodnoty 770 °C
-4CZ 2018 - 563 A3 na 820 °C. Také při růstu bariér v intervalu časů t3-t4 (170 s) po dosažení teploty 820 °C byl zachován průtok TMIn do reaktoru. Po dokončení růstu bariérové vrstvy byl růst přerušen v intervalu časů t4-t5 (270 s) kvůli snížení teploty a stabilizaci podmínek pro růst následující kvantové jámy. Profil teploty i schéma vpouštění prekurzorů do reaktoru je znázorněn na obr. 2(a). Takto připravená heterostruktura měla 12 % molámích InN složky v InGaN kvantové jámě tloušťku kvantové jámy 3,5 nm a bariérové vrstvy obsahovaly 4 % molámí InN složky. Krycí vrstva mezi InGaN kvantovou jámou a bariérovou vrstvou měla gradované složení. Krycí a bariérová vrstva měly sumární tloušťku 8 nm. Obrázek řezu strukturou podle tohoto příkladu s atomovým rozlišením pořízený metodou transmisní elektronové mikroskopie je na obr. 5, ze kterého je zřetelně vidět gradované složení krycí vrstvy u horního rozhraní kvantových jam. Fotoluminiscence struktury podle tohoto vynálezu je ukázána na obr. 4.
Příklad 2 - Fotoluminiscenční struktura s GaN bariérovými vrstvami a (In)GaN krycími vrstvami mezi deseti InGaN kvantovými jamami s gradovaným složením
Vícevrstvá polovodičová struktura s deseti InGaN kvantovými jamami byla metodou nízkotlaké plynné epitaxe z organokovových sloučenin (LP MOVPE). Každá dvojice InGaN kvantových jam a bariér byla připravena následujícím technologickým postupem podle obr. 2(b): Růst probíhal za sníženého tlaku, tlak v reaktoru byl 400 mbar po dobu růstu obou vrstev. Před růstem InGaN kvantové jámy byl přerušen růst a snížena teplota na 750 °C. Jednotlivé InGaN kvantové jámy byly připraveny v intervalu časů tl-t2 (97 s) s gradovaným složením postupným snižováním epitaxní teploty během růstu InGaN na počátku až k teplotě 730 °C (25 s), následovala epitaxe při konstantní teplotě (42 s), a posléze byla opět zvyšována epitaxní teplota na konci růstu kvantových jam k teplotě 770 °C (30 s). Po růstu InGaN vrstvy byl skokově zvýšen molámí zlomek TEGa z 1,3-10-6 (používaný pro růst InGaN kvantové jámy) na 1,9-10-5 (pro růst bariérové vrstvy), průtok TMIn prekurzoru zůstal zachován (molámí zlomek 1,8-10-5). Bez přerušení růstu byla v intervalu časů t2-t3 (70 s) zvyšována teplota epitaxe z hodnoty 770 °C na 820 °C. Po dosažení teploty 820 °C byl zastaven průtok TMIn do reaktoru a bariérová vrstva byla připravena v intervalu časů t3-t4 (170 s) z čistého GaN. Po dokončení růstu bariérové vrstvy byl růst přerušen v intervalu časů t4-t5 (270 s) kvůli snížení teploty pro růst následující kvantové jámy. Profil teploty i průtok prekurzorů je znázorněn na obr. 2(b). Takto připravená heterostruktura měla 12 % molámích InN složky v InGaN kvantové jámě tloušťku kvantové jámy 3,5 nm a GaN bariérovou vrstvu. Krycí vrstva mezi InGaN kvantovou jámou a bariérovou vrstvou měla gradované složení. Fotoluminiscence struktury podle tohoto vynálezu je ukázána na obr. 4.
Příklad 3 - Fotoluminiscenční struktura s GaN bariérovými vrstvami i GaN krycími vrstvami mezi deseti InGaN kvantovými jamami s gradovaným složením
Vícevrstvá polovodičová struktura s deseti InGaN kvantovými jamami byla připravena metodou nízkotlaké plynné epitaxe z organokovových sloučenin (LP MOVPE). Každá dvojice InGaN kvantových jam a bariér byla připravena následujícím technologickým postupem, viz obr. 2(c): Růst probíhal za sníženého tlaku, tlak v reaktoru byl 400 mbar po dobu růstu obou vrstev. Před růstem InGaN kvantové jámy byl přerušen růst a snížena teplota na 750 °C. Jednotlivé InGaN kvantové jámy byly připraveny v intervalu časů tl-t2 (97 s) s gradovaným složením postupným snižováním epitaxní teploty během růstu InGaN kvantové jámy na počátku až k teplotě 730 °C (25 s), následovala epitaxe při konstantní teplotě (42 s), a posléze byla opět zvyšována epitaxní teplota na konci růstu kvantových jam k teplotě 770 °C (30 s). Po růstu InGaN vrstvy byl skokově zvýšen molámí zlomek TEGa z 1,3-10-6 (používaný pro růst InGaN kvantové jámy) na 1,9-10-5 (pro růst bariérové vrstvy), průtok TMIn prekurzoru byl v tomto případě přerušen. Bez přerušení růstu byla v intervalu časů t2-t3 (70 s) zvyšována teplota epitaxe z hodnoty 770 na 820 °C. Po dosažení teploty 820 °C dále bez přerušení pokračovala v intervalu časů t3-t4 (170 s) epitaxe GaN bariérové vrstvy. Po dokončení růstu bariérové vrstvy byl růst přerušen v intervalu časů t4-t5 (270 s) kvůli snížení teploty a stabilizaci podmínek pro růst následující kvantové jámy. Profil teploty i průtok prekurzorů je znázorněn na obr. 2(c). Takto připravená heterostruktura
-5 CZ 2018 - 563 A3 měla 12 % molámích InN složky v InGaN kvantové jámě tloušťku kvantové jámy 2,5 nm a GaN bariérovou vrstvu. Rozhraní mezi krycí vrstvou a InGaN kvantovou jámou mělo strmý gradient koncentrace In atomů. Sumární tloušťka krycí a bariérové vrstvy byla 7 nm. Foto luminiscence struktury podle tohoto vynálezu je ukázána na obr. 4.
Příklad 4 - Fotoluminiscenční struktura s AlInN bariérovými vrstvami a InGaN krycími vrstvami mezi deseti InGaN kvantovými jamami s konstantním složením
Vícevrstvá polovodičová struktura s deseti InGaN kvantovými jamami byla připravena standardně používanou metodou nízkotlaké plynné epitaxe z organokovových sloučenin (LP MOVPE). Každá dvojice InGaN kvantových jam a bariér byla připravena následujícím technologickým postupem, viz obr. 2(d): Růst probíhal za sníženého tlaku, tlak v reaktoru byl 400 mbar po dobu růstu obou vrstev. Před růstem InGaN kvantové jámy byl přerušen růst a snížena teplota na 730 °C. Jednotlivé InGaN kvantové jámy byly připraveny v intervalu časů tlt2 (97 s) s konstantním složením při teplotě 730 °C. Po růstu InGaN vrstvy byl skokově zvýšen molámí zlomek TEGa z 1,3-10-6 (používaný pro růst InGaN kvantové jámy) na 1,9-10-5, průtok TMIn prekurzoru zůstal zachován (molámí zlomek 1,8 · 10-5). Bez přerušení růstu byla v intervalu časů t2-t3 (70 s) zvyšována teplota epitaxe z hodnoty 730 °C na 820 °C. Po dosažení teploty 820 °C byl zastaven průtok TMGa a vpuštěn TMA1 do reaktora a bariérová vrstva byla připravena v intervalu časů t3-t4 (170 s) z AlInN. Po dokončení růstu bariérové vrstvy byl růst přerušen v intervalu časů t4-t5 (270 s) kvůli snížení teploty pro růst následující kvantové jámy. Profil teploty i průtok prekurzorů je znázorněn na obr. 2(d). Takto připravená heterostruktura měla 12 % molámích InN složky v InGaN kvantové jámě tloušťku kvantové jámy 3,5 nm a krycí vrstva byla tvořena InGaN se složením klesajícím ke 4 % molámím InN složky a měla tloušťku 1,5 nm. Bariérová vrstva byla tvořena AlInGaN s 15 % molámími InN a 30 % molámích GaN složky způsobené paměťovým efektem reaktora, 65% molámími A1N složky. Tloušťka bariérové vrstvy byla 9 nm.
Příklad 5 - Fotoluminiscenční struktura s AlInN bariérovými vrstvami a InGaN krycími vrstvami mezi deseti InGaN kvantovými jamami se zvýšeným obsahem InN
Vícevrstvá polovodičová struktura s deseti InGaN kvantovými jamami byla připravena standardně používanou metodou nízkotlaké plynné epitaxe z organokovových sloučenin (LP MOVPE). Každá dvojice InGaN kvantových jam a bariér byla připravena následujícím technologickým postupem, viz obr. 2(d) avšak s odlišnou růstovou teplotou kvantové j ámy: Růst probíhal za sníženého tlaku, tlak v reaktora byl 400 mbar po dobu růstu obou vrstev. Před růstem InGaN kvantové jámy byl přerušen růst a snížena teplota na 680 °C. Jednotlivé InGaN kvantové jámy byly připraveny v intervalu časů tl-t2 (97 s) s konstantním složením při teplotě 680 °C. Po růstu InGaN vrstvy byl skokově zvýšen molámí zlomek TEGa z 1,3-10-6 (používaný pro růst InGaN kvantové jámy) na 1,9-10-5, průtok TMIn prekurzoru zůstal zachován (molámí zlomek 1,8-10-5). Bez přerušení růstu byla v intervalu časů t2-t3 (140 s) zvyšována teplota epitaxe z hodnoty 680 °C na 820 °C. Po dosažení teploty 820 °C byl zastaven průtok TMGa a vpuštěn TMA1 do reaktora a bariérová vrstva byla připravena v intervalu časů t3-t4 (170 s) z AlInN. Po dokončení růstu bariérové vrstvy byl růst přerušen v intervalu časů t4-t5 (270 s) kvůli snížení teploty pro růst následující kvantové jámy. Profil teploty i průtok prekurzorů je znázorněn na obr. 2(d). Takto připravená heterostruktura měla 20 % molámích InN složky v InGaN kvantové jámě, tloušťku kvantové jámy 3,5 nm a krycí vrstva byla tvořena InGaN se složením klesajícím ke 4 % molámím InN složky a měla tloušťku 3 nm. Bariérová vrstva byla tvořena AlInGaN s 15 % molámími InN a 30 % molámími GaN složky způsobené paměťovým efektem reaktora, 65 % molámími A1N složky. Tloušťka bariérové vrstvy byla 9 nm.
Průmyslová využitelnost
Vícevrstvá polovodičová struktura připravená podle vynalezeného technologického postupu je vhodná pro zabudování do emisních diod s vlnovou délkou ve viditelné oblasti spektra, do
-6CZ 2018 - 563 A3 solárních článků nebo tandemových solárních článků pro absorpci světla ve viditelné spektrální oblasti 400-700 nm, případně do scintilátorových struktur.
PATENTOVÉ NÁROKY
Claims (5)
1. Způsob přípravy vícevrstvých struktur na bázi GaN, při kterém se epitaxně nanáší sled InGaN kvantových jam oddělených bariérovými vrstvami vylučováním z plynných prekurzorů, přičemž při epitaxním nanášení InGaN kvantových jam se udržuje teplota nižší než je teplota při epitaxním nanášení bariérových vrstev, vyznačující se tím, že vždy bezprostředně po nanesení InGaN kvantové jámy se během zvyšování teploty kontinuálně nanáší krycí vrstva a následně při vyšší teplotě bariérová vrstva, přičemž epitaxní nanášení krycí a bariérové vrstvy se provádí ze směsi plynů obsahující organokovový prekurzor Ga a/nebo prekurzor Al.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že epitaxní nanášení krycí a/nebo bariérové vrstvy se provádí ze směsí plynů obsahující organokovový prekurzor Ga a/nebo prekurzor Al, a dále také prekurzor In.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že epitaxní nanášení kvantové jámy se provádí při teplotě nižší než 780 °C a nanášení bariérové vrstvy se provádí při teplotě vyšší než 800 °C.
4. Způsob podle nároku 1 nebo 2 nebo 3, vyznačující se tím, že kvantová jáma se nanáší v tloušťce do 5 nm, krycí a bariérová vrstva se nanáší v celkové tloušťce větší než 5 nm.
5. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že v průběhu nanášení InGaN kvantové jámy se nastavuje poměr přiváděných organokovových prekurzorů india In a gallia Ga pro dosažení obsahu indiumnitridu InN v InGaN kvantové jámě alespoň 12 % molámích, bezprostředně po nanesení InGaN kvantové jámy se během zvyšování teploty zvýší přivádění prekurzoru Ga a popřípadě omezí nebo zcela zastaví přivádění prekurzoru In pro zajištění obsahu InN v krycí vrstvě strmě klesajícího ve směru růstu a obsahu InN v bariérové vrstvě nejvýše 4 % molámí.
5 výkresů
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-563A CZ2018563A3 (cs) | 2018-10-22 | 2018-10-22 | Způsob výroby epitaxní struktury s InGaN kvantovými jamami |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-563A CZ2018563A3 (cs) | 2018-10-22 | 2018-10-22 | Způsob výroby epitaxní struktury s InGaN kvantovými jamami |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ308024B6 CZ308024B6 (cs) | 2019-10-30 |
| CZ2018563A3 true CZ2018563A3 (cs) | 2019-10-30 |
Family
ID=68295866
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2018-563A CZ2018563A3 (cs) | 2018-10-22 | 2018-10-22 | Způsob výroby epitaxní struktury s InGaN kvantovými jamami |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2018563A3 (cs) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008056632A1 (fr) * | 2006-11-07 | 2008-05-15 | Rohm Co., Ltd. | Élément électroluminescent semi-conducteur gan |
| JP4539752B2 (ja) * | 2008-04-09 | 2010-09-08 | 住友電気工業株式会社 | 量子井戸構造の形成方法および半導体発光素子の製造方法 |
| JP5394717B2 (ja) * | 2008-12-15 | 2014-01-22 | 日本オクラロ株式会社 | 窒化物半導体光素子の製造方法 |
| CN103733308B (zh) * | 2011-09-05 | 2016-08-17 | 日本电信电话株式会社 | 氮化物半导体结构以及其制作方法 |
-
2018
- 2018-10-22 CZ CZ2018-563A patent/CZ2018563A3/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ308024B6 (cs) | 2019-10-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Haller et al. | GaN surface as the source of non-radiative defects in InGaN/GaN quantum wells | |
| US6645885B2 (en) | Forming indium nitride (InN) and indium gallium nitride (InGaN) quantum dots grown by metal-organic-vapor-phase-epitaxy (MOCVD) | |
| US7282744B2 (en) | III-nitride optoelectronic device structure with high Al AlGaN diffusion barrier | |
| US9577144B2 (en) | Ultraviolet light-emitting device | |
| JP6055908B2 (ja) | エピタキシ基板、エピタキシ基板の製造方法、およびエピタキシ基板を備えたオプトエレクトロニクス半導体チップ | |
| US20120187366A1 (en) | Growth method of nitride semiconductor layer and light emitting device using the growth method | |
| KR20090029685A (ko) | 질화갈륨계 반도체 헤테로 구조체 성장 방법 | |
| US20070138489A1 (en) | Semiconductor light-emitting device and a method of fabricating the same | |
| Yang et al. | Deep-UV emission at 260 nm from MBE-grown AlGaN/AlN quantum-well structures | |
| Ben et al. | The direct evidence of the composition pulling effect and its role in InGaN multiple quantum wells | |
| Wang et al. | Carrier capture efficiency of AlGaAs/GaAs quantum wires affected by composition nonuniformity of an AlGaAs barrier layer | |
| CZ2018563A3 (cs) | Způsob výroby epitaxní struktury s InGaN kvantovými jamami | |
| Jarý et al. | Optical properties of InGaN/GaN multiple quantum well structures grown on GaN and sapphire substrates | |
| Neugebauer et al. | Polarization engineering of c‐plane InGaN quantum wells by pulsed‐flow growth of AlInGaN barriers | |
| JP4726408B2 (ja) | Ｉｉｉ−ｖ族系窒化物半導体素子およびその製造方法 | |
| Fragkos et al. | Delta InN-InGaN Quantum Wells With AlGaN Interlayers for Long Wavelength Emission | |
| Naixin et al. | Characterization of quaternary AlInGaN epilayers and polarization-reduced InGaN/AlInGaN MQW grown by MOCVD | |
| Dadgar et al. | Nitride Semiconductors | |
| US20170155016A9 (en) | Nitride semiconductor crystal and method of fabricating the same | |
| Tomiya et al. | Defects and degradation of nitride-based laser diodes | |
| Mumthaz Muhammed et al. | Carrier dynamics of InxGa1-xN/GaN multiple quantum wells grown on (− 201) β-Ga2O3 for bright vertical light emitting diodes | |
| Tsatsulnikov et al. | Stimulated formation of InGaN quantum dots | |
| Solov’ev et al. | Structural, luminescent, and transport properties of hybrid AlAsSb/InAs/Cd (Mg) Se heterostructures grown by molecular beam epitaxy | |
| Soh et al. | Anomalous optical transitions in AlInGaN/GaN heterostructures grown by metalorganic chemical vapor deposition | |
| KR100638177B1 (ko) | 질화물 반도체층을 성장시키는 방법 및 이를 이용하는 질화물 반도체 발광소자 |