專利名稱：使用硅烷作為前驅(qū)體制備n-型半導(dǎo)體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的設(shè)計(jì)。更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于外延 制備高質(zhì)量結(jié)晶和電特性的η-型氮化物半導(dǎo)體材料的技術(shù)，以及一種應(yīng)用這種具有高發(fā) 光效率和可靠性的η-型氮化物半導(dǎo)體材料來制備半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)發(fā)光技術(shù)相比，發(fā)光二極管(LED)具有如能耗更低，效率更高，使用壽命更 長及性能更好等許多優(yōu)點(diǎn)，另外沖擊、震動(dòng)及溫度改變對(duì)LED的影響較小，因此LED技術(shù)已 經(jīng)廣泛應(yīng)用于如視頻顯示，移動(dòng)電子產(chǎn)品及點(diǎn)光源等多種應(yīng)用中。有關(guān)LED器件制造方 面的研究表明III-V族氮化物化合物(如GaN，InN，和AlN)及合金(如AlGaN，InGaN, ^P AlGAInN)可產(chǎn)生高效的發(fā)光。發(fā)光器件制造中的一個(gè)關(guān)鍵要素是發(fā)光器件內(nèi)有源區(qū)的設(shè)計(jì)及其質(zhì)量。當(dāng)ρ-型 和η-型半導(dǎo)體材料接觸時(shí)，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出不同于其中任何單獨(dú)一種材料的特性。更具體而 言，當(dāng)對(duì)P-N結(jié)施加正向偏壓時(shí)，載流子(如來自ρ-型的空穴和來自η-型層的電子)在有 源區(qū)復(fù)合，并因此以光子的形式釋放出能量。一般來說，有源區(qū)由P-型層和η-型層之間的 多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)形成，且該區(qū)有利于獲得更高的載流子密度，并因此增大載流子復(fù)合 率。載流子復(fù)合越快，發(fā)光器件效率越高。一般來說，一方面希望LED具有小的工作電壓，另一方面當(dāng)LED施加反向偏壓時(shí)， 更希望的LED具有最高可能的反向擊穿電壓，從而提高LED的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種制造III-V族η-型氮化物結(jié)構(gòu)的方法。該方法包 括制備用于外延生長的Si襯底，接著利用硅烷氣體作為前驅(qū)體，對(duì)應(yīng)第一載流子密度的硅 烷流量設(shè)為第一預(yù)定值，在Si襯底上沉積III-V族η-型層，同時(shí)在η-型層的制備過程中， 硅烷流量被降至對(duì)應(yīng)第二載流子密度的第二預(yù)定值。該方法還包括在η-型層上形成多量 子阱有源區(qū)。此外，在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)完成流量的降低，且到達(dá)第二預(yù)定值時(shí)，距離η-型層和 有源區(qū)之間的界面預(yù)定且充分小的距離。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述第二載流子密度大約是所述第一載流子密度的十 分之一。在另一個(gè)變型中，所述第一載流子密度的預(yù)定值大約是1 X IO18CnT3 1 X IO1W30在另一個(gè)變型中，所述第二載流子密度大約是2 X IO17CnT3 8Χ 1017cm_3。在該實(shí)施例的另一個(gè)變型中，所述預(yù)定時(shí)間段大約是1000s。在該實(shí)施例的另一個(gè)變型中，以相同的速度線性降低流量，或是以不同的速度非 線性降低流量。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述預(yù)定距離小于或等于1000人。在該實(shí)施例的一個(gè)變型中，所述預(yù)定距離大于或等于100人。


構(gòu)成說明書并包括在內(nèi)的圖形被用于來描述本發(fā)明的某些特征。通過結(jié)合提及的 一個(gè)或多個(gè)圖形和給出的說明，可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)注意的是圖形中圖示的特征沒 有按比例繪制。
圖1圖示了基于金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積法(MOCVD)制備的氮化物半導(dǎo)體材料的 LED。圖2給出流程圖用于說明通過按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例降低硅烷流量來制備η-型 層的過程圖3例示了根據(jù)本發(fā)明所公開的方法制備的具有η-型層的LED的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式以下給出描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，且這些描述是在 具體應(yīng)用及其需求的背景下提供的。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可以對(duì)所公開實(shí)施例進(jìn)行各 種修改，且在不離開本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，這里限定的一般原理可以應(yīng)用到 其它實(shí)施例和應(yīng)用。因而，本發(fā)明并不限于所示出的實(shí)施例，而是與權(quán)利要求的最寬范圍一致。在GaN基LED中的n_型層的沉積過程期間，氨氣(NH3)或硅烷常被用作施主材料 的前驅(qū)體。一方面雖然氨氣和硅烷這兩種氣體都有利于形成具有高反向擊穿電壓和良好發(fā) 光效率的LED結(jié)構(gòu)，但利用硅烷制備的η-型層具有更好的晶體結(jié)構(gòu)并因此更可靠。另一方 面，當(dāng)氨氣作為氮源前驅(qū)體時(shí)，在η-型層的外延生長期間，通過逐漸減小NH3的流量可增大 反向擊穿電壓，而仍可獲得工作電壓小的LED。本發(fā)明的實(shí)施例提供一種使用硅烷作為前驅(qū)體并通過逐漸減小硅烷流量至明顯 小于初始流量的最終流量來制備高質(zhì)量η-型氮化物材料的方法。圖1圖示了基于利用MOCVD法制備的氮化物半導(dǎo)體材料的LED。在一個(gè)實(shí)施例制 備過程中，首先在Si生長襯底110上制備LED的III-V族氮化物多層結(jié)構(gòu)。許多襯底包括 硅、藍(lán)寶石和碳化硅等都可用于低溫沉積。根據(jù)需要，可在制備η-型層130之前在襯底110上生長緩沖層120。目的是為了 匹配晶格系數(shù)和/或熱膨脹系數(shù)。在緩沖層120上生長η-型層130之后，在η-型層130 上分別形成有源區(qū)140和III-V族ρ-型氮化物層150。在一個(gè)實(shí)施例中，有源區(qū)140包括InGaN/GaN多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有 利于獲得更高的載流子密度。更高的載流子密度增大了載流子復(fù)合率，反過來提高發(fā)光效率。η-型層130的外延生長可同時(shí)使用鎵(Ga)源前驅(qū)體(如三甲基鎵氣體)和硅 (Si)源前驅(qū)體(硅烷)。通常來說，在沉積過程中，這兩種前驅(qū)體是以預(yù)定的、不變的流量 引入至沉積室內(nèi)。分別位于P-型層和η-型層上的一對(duì)正電極和負(fù)電極未在圖1中示出。 這些電極可采用任何一種常規(guī)電極制備技術(shù)制造而成。圖2給出流程圖說明通過按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例降低硅烷流量來制備η-型層的 過程。首先在III-V族氮化物基LED的緩沖層上以初始硅烷流量沉積η-型層。在一個(gè)實(shí)施例中，初始流量為用于η-型層外延生長的正常流量。這個(gè)正常流量可對(duì)應(yīng)大約5X IO18CnT3 的η-型載流子密度。應(yīng)注意的是，流量的實(shí)際值可能由于系統(tǒng)不同如生長室的大小而改 變，一旦η-型層沉積開始進(jìn)行，硅烷流量逐漸遞減直至到達(dá)預(yù)定的最終流量(操作 220)。在一個(gè)實(shí)施例中，初始硅烷流量在外延生長開始后立即減小。在另一個(gè)實(shí)施例中， 初始硅烷流量在以初始流量維持外延生長進(jìn)行預(yù)設(shè)的時(shí)間后開始減小。在上述兩種情況 中，最終流量都明顯低于初始流量。在一個(gè)實(shí)施例中，最終流量介于7. 5 % 15 %的初始流 量之間。例如，若初始流量對(duì)應(yīng)5X IO18CnT3的η-型載流子密度，那么最終流量可對(duì)應(yīng)大約 3. 75 X IO1W3 7. 5 X 1017cm_3 的 η-型載流子密度。有許多方法可使硅烷流量從初始流量逐漸降低至最終流量，如可以相同的速度線 性降低流量，或者是以不同的速度在非線性函數(shù)如拋物線的基礎(chǔ)上降低流量。這些不同方 法的共同特征就是流量連續(xù)降低，從而獲得小的LED工作電壓。由于硅烷流量持續(xù)穩(wěn)定降 低以及初始流量與最終流量之差要明顯，理想的是流量降低持續(xù)時(shí)間非常長。在一個(gè)實(shí)施 例中，該流量降低過程的持續(xù)時(shí)間大約是1000s。當(dāng)η-型層和有源區(qū)之間的界面相距設(shè)定的、充分小的距離時(shí)，流量降低終止并到 達(dá)最終流量(操作230)。最終流量保持極短的時(shí)間直到η-型層制備完成。在一個(gè)實(shí)施例 中，界面和最終流量到達(dá)時(shí)的η-型層的位置的距離范圍介于100 k 1000 A之間。圖3例示了根據(jù)本發(fā)明公開的方法制備的具有η-型層的LED的實(shí)施例。應(yīng)用金 屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)法，首先在Si生長襯底310上制備LED的III-V族氮化物多 層結(jié)構(gòu)。在襯底310上生長緩沖層320。應(yīng)注意的是，也可使用其他襯底材料如SiC和藍(lán)寶 石。接著在緩沖層320上生長大約Ιμπι厚的η-型層330，同時(shí)硅烷作為前驅(qū)體。在η-型 層330沉積開始時(shí)，初始硅烷流量對(duì)應(yīng)大約5Χ IO18CnT3的載流子密度。沉積期間流量線性 降低，流量達(dá)至最終值后載流子密度大約是5X1017cm_3。一般來說，硅烷初始流量可對(duì)應(yīng) 1 X IO18CnT3 1 X IO19CnT3的載流子密度。最終硅烷流量可對(duì)應(yīng)2 X IO17CnT3 8 X IO17CnT3的 載流子密度。流量降低的持續(xù)時(shí)間即從初始流量至最終流量大約是1000s。當(dāng)?shù)竭_(dá)最終流量時(shí)，硅烷流量降低的過程終止。在一個(gè)實(shí)施例中，最終流量到達(dá)時(shí)的η-型層330距η-型層330與包括MQW結(jié)構(gòu)的有源區(qū)340之間的界面大約是100人。此 夕卜，在η-型層330上形成ρ-型層350。盡管未在圖3中示出，但N電極和P型電極分別與 η-型層330和ρ-型層350電連接。依照上面描述的方法制備而成的LED具有大約3V的工作電壓和大約40V的擊穿 電壓。此外，這種LED具有高發(fā)光效率和極好的可靠性。本發(fā)明實(shí)施例的前述描述僅為說 明和描述的目的而給出。它們并非窮盡性的，或并不旨在將本發(fā)明限制成這里所公開的形 式。因而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離如所附權(quán)力要求公開的發(fā)明的范圍和精神的前 提下，對(duì)于本發(fā)明的許多修改和變化是顯而易見的。
權(quán)利要求
一種制備III-V族n-型氮化物結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括制備Si生長襯底。利用硅烷作為前驅(qū)體，對(duì)應(yīng)第一載流子密度的硅烷流量設(shè)為第一預(yù)設(shè)值，在Si襯底上沉積III-V族n-型層；在n-型層的制備期間，所述硅烷的流量被降至對(duì)應(yīng)第二載流子密度的第二預(yù)設(shè)值，其中第二載流子密度小于第一載流子密度；以及在n-型層上形成多量子阱有源區(qū)；其中在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)降低所述流量；以及其中到達(dá)第二預(yù)定值時(shí)，n-型層和有源區(qū)之間的界面相距設(shè)定的、充分小的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第二載流子密度大約是所述第一載流 子密度的十分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述第一載流子密度大約是1X IO18CnT3 IXio1W3O
4.據(jù)根權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述第二載流子密度大約是2X IO17cnT3 SXio1W3O
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述預(yù)定時(shí)間段大約是1000s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于以相同的速度線性降低流量，或是以不同 的速度非線性降低流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的方法，其特征所述設(shè)定的距離小于或等于1000人。
8.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的方法，其中所述設(shè)定的距離大于或等于100人。
9.一種發(fā)光器件，其包括 III-V族Π-型氮化物層； 有源區(qū)；以及III-V族ρ-型層，其中在制備有源區(qū)和P-型層之前通過利用硅烷作為前驅(qū)體外延生長η-型層； 其中在η-型層的外延生長期間，硅烷流量從對(duì)應(yīng)第一載流子密度的第一預(yù)定值逐漸 降低至對(duì)應(yīng)第二載流子密度的第二預(yù)定值；以及其中發(fā)光器件具有等于或大于40V的反向擊穿電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光器件，其特征在于所述第二載流子密度大約是所述第 一載流子密度的十分之一。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)光器件，其特征在于所述第一預(yù)定值大約是2ml/min。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)光器件，其特征在于所述第二預(yù)定值大約是0.2ml/min。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光器件，其特征在于在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)降低所述流量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)光器件，其特征在于所述預(yù)定時(shí)間段大約是1000s。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光器件，其特征在到達(dá)第二預(yù)設(shè)值時(shí)，η-型層和有源層之 間的界面相距設(shè)定的、充分小的距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光器件，其特征在于所述預(yù)定距離小于或等于1000人。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光器件，其特征在于所述預(yù)定距離大于或等于100人。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光器件，其特征在于以相同的速度線性降低流量，或是以 不同的速度非線性降低流量。
全文摘要
一種制備Ⅲ-Ⅴ族n-型氮化物結(jié)構(gòu)的方法，包括制備Si生長襯底，然后在該Si襯底上沉積Ⅲ-Ⅴ族n-型層，采用流量為第一設(shè)定值的硅烷(SiH4)作為前驅(qū)體(210)。隨后，在制備該n-型層過程中硅烷流量降至第二設(shè)定值(220)。方法還包括在該n-型層上形成多量子阱有源區(qū)。此外，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)流量不斷減小，當(dāng)距離n-型層與有源區(qū)的界面達(dá)到某一設(shè)定且充分小的距離時(shí)，流量達(dá)到第二設(shè)定值(230)。
文檔編號(hào)C23C16/34GK101849034SQ200780101042
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者方文卿, 江風(fēng)益, 王立, 莫春蘭 申請(qǐng)人:晶能光電(江西)有限公司