專利名稱：氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氮化物多量子阱發(fā)光二極管的生長方法。
背景技術(shù)：
目前，銦鎵氮/氮化鎵(InGaN/GaN)多量子阱發(fā)光二極管主要有以下生長方法1)在襯底(藍寶石、碳化硅、砷化鎵等)上直接生長見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生長氮化物材料和器件的主要障礙是沒有晶格完全匹配的襯底材料。
目前普遍使用的是藍寶石襯底。其價格較低、高溫穩(wěn)定性好。但是不能制造電極，晶格和熱膨系數(shù)也存在較大的差異。
碳化硅(SiC)本身具有藍光發(fā)光特性，也可以制作電極，其晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)更接近III族氮化物。但是，SiC比藍寶石成本高。
砷化鎵(GaAs)價格比較便宜，可以制作電極，并可能實現(xiàn)與GaAs基器件的集成。但GaAs襯底高溫下易分解，需進一步改進。
硅(Si)襯底也具有低成本，散熱好，可以制作電極，便于光電集成等優(yōu)點。但是GaN與Si的晶格常數(shù)和熱脹系數(shù)相差太大，會使GaN外延層中的位錯密度高達1010-1012cm-2。
利用側(cè)向外延(LEO)技術(shù)，在Si(III)襯底上外延GaN，位錯密度可以降低3-4個數(shù)量級。該方法缺點是外延層與襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，外延層中的位錯密度較大(大約1010cm-2)，影響器件的發(fā)光性能，優(yōu)點是工藝簡單，所以應(yīng)用比較普遍。
2)在刻有圖形的襯底上利用側(cè)向外延技術(shù)生長。
見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。
該方法獲得的外延晶體質(zhì)量較高(大約106～107cm-2)，但是工藝比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種對藍寶石襯底進行處理，從而增加氮化物發(fā)光二極管發(fā)光強度的方法。
本發(fā)明步驟包括1)采用金屬有機化合物氣相沉積方法在帶有陪片的石墨舟上生長一層AlGaN薄膜具體為采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法，于1000℃～1150℃下以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)為源，在帶有藍寶襯底(0001晶向)陪片的石墨舟上生長一層約0.5～1μm厚的鋁鎵氮(AlxGa1-xN，x＝0.05～0.20)合金薄膜；2)置換另一帶有藍寶石襯底(0001)的石墨舟；3)按正常工藝生長氮化物多量子阱發(fā)光二極管。
MOCVD方法生長氮化物多量子阱發(fā)光二極管的正常工藝過程為氫氣(H2)氛下，1100℃～1150℃左右高溫烘烤襯底5～15分鐘，降溫至500℃～550℃氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫氮化鎵(GaN)成核層，升溫至1000℃～1060℃以硅烷為摻雜劑生長2～3μm厚的N型氮化鎵(n-GaN)，降溫到700℃～850℃左右生長氮化物多量子阱，升溫到1000℃～1150℃以二茂鎂(Cp2Mg)為摻雜劑生長P型氮化鎵(p-GaN)。
常規(guī)的氮化物生長首先在藍寶石襯底(0001)上生長低溫氮化鎵(GaN)成核層。在隨后的升溫過程中，部分分解。殘留的部分再結(jié)晶，形成成核中心。然后進行高溫外延生長，在這一過程中成核中心將沿外延生長方向(0001)及藍寶石襯底平面的各個方向生長。其中沿藍寶石襯底平面的各個方向的生長將使各成核中心融合，外延層逐漸變平滑光亮。而沿外延生長方向(0001)的生長，將使穿透型位錯在晶核的側(cè)壁發(fā)生彎曲而減少了其到達外延層表面的幾率，提高外延層的質(zhì)量。見K.Hiramatsu et al.，Journal of CrystalGrowth 221(2000)316-326。
本發(fā)明通過預(yù)先生長鋁鎵氮合金，在反應(yīng)室內(nèi)部(主要在其頂部)形成鋁鎵氮顆粒。在正常工藝開始前，這些鋁鎵氮顆粒將落到藍寶石襯底上。隨后的正常工藝生長的低溫氮化鎵(GaN)成核層在高溫下再結(jié)晶時，將以這些鋁鎵氮顆粒為成核中心。這時的成核中心數(shù)量將比使用常規(guī)的氮化物生長法的成核中心數(shù)量少。要使外延層逐漸變平滑光亮，需要更長的時間，也就是需要更厚的外延層厚度。這樣沿外延生長方向(0001)的生長也得到加強，更加有利于穿透型位錯在晶核的側(cè)壁發(fā)生彎曲而減少其到達外延層表面的幾率，提高外延層的質(zhì)量。這種方法的機理類似于側(cè)向外延技術(shù)，但比側(cè)向外延技術(shù)簡便很多，樣品受污染的機會也少很多。
而外延層的光熒光強度直接和外延層的質(zhì)量相關(guān)，這就解釋了附圖1、2的結(jié)果。另外，由于藍光二極管外延片中銦的含量高，對穿透型位錯的敏感性不如紫光二極管外延片(銦的含量低)。導(dǎo)致該方法對紫光二極管外延片的提高效果更加顯著，見附圖2。
本發(fā)明方法可提高氮化物多量子阱發(fā)光二極管外延片的晶體質(zhì)量，提高氮化物多量子阱藍色、紫色及紫外發(fā)光二極管外延片光熒光(PL)強度。進而，提高氮化物藍色、紫色及紫外發(fā)光二極管的發(fā)光強度。本發(fā)明的有效效果可通過附圖1和2中本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的效果對比顯示出來。


圖1采用本發(fā)明與采用現(xiàn)有技術(shù)的藍光發(fā)光二極管發(fā)光強度對比示意圖三角線型代表本發(fā)明，圓圈線型代表現(xiàn)有技術(shù)圖2采用本發(fā)明與采用現(xiàn)有技術(shù)的紫光發(fā)光二極管發(fā)光強度對比示意圖
具體實施例方式實施例1采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法，于1000℃～1150℃下以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)為源，在帶有藍寶石襯底陪片的石墨舟上生長一層約0.5μm的鋁鎵氮(Al0.05Ga0.95N)合金薄膜；置換另一帶有藍寶石襯底(0001)的石墨舟。按正常工藝生長氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。正常工藝過程為氫氣(H2)氛下，1100℃左右高溫烘烤襯底5分鐘，降溫至500℃氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫氮化鎵(GaN)成核層，升溫至1000℃以硅烷為摻雜劑生長2μm厚的N型氮化鎵(n-GaN)，降溫到700℃左右生長氮化物多量子阱，升溫到1000℃以二茂鎂(Cp2Mg)為摻雜劑生長P型氮化鎵(p-GaN)。
實施例2采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法，于1150℃下以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)為源，在帶有藍寶石襯底陪片的石墨舟上生長一層約1μm的鋁鎵氮(Al0.2Ga0.8N)合金薄膜；置換另一帶有藍寶石襯底(0001)的石墨舟。按正常工藝生長氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。正常工藝過程為氫氣(H2)氛下，1150℃左右高溫烘烤襯底15分鐘，降溫至550℃氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫氮化鎵(GaN)成核層，升溫至1060℃以硅烷為摻雜劑生長3μm厚的N型氮化鎵(n-GaN)，降溫到850℃左右生長氮化物多量子阱，升溫到1150℃以二茂鎂(Cp2Mg)為摻雜劑生長P型氮化鎵(p-GaN)。
實施例3采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法，于1100℃下以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)為源，在帶有藍寶石襯底陪片的石墨舟上生長一層約0.8μm的鋁鎵氮(Al0.1Ga0.9N)合金薄膜；置換另一帶有藍寶石襯底(0001)的石墨舟。按正常工藝生長氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。正常工藝過程為氫氣(H2)氛下，1130℃左右高溫烘烤襯底12分鐘，降溫至530℃氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫氮化鎵(GaN)成核層，升溫至1050℃以硅烷為摻雜劑生長2.3μm厚的N型氮化鎵(n-GaN)，降溫到800℃左右生長氮化物多量子阱，升溫到1100℃以二茂鎂(Cp2Mg)為摻雜劑生長P型氮化鎵(p-GaN)。
采用這一特殊方法所得樣品結(jié)果比較見兩附圖。其中紫光LED的光熒光強度為普通工藝的6倍，而藍光LED的光熒光強度為普通工藝的2倍。
權(quán)利要求
1.一種氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的生長方法，其步驟包括1)采用金屬有機化合物氣相沉積方法在帶有陪片的石墨舟上生長一層AlGaN薄膜；2)置換另一帶有藍寶石襯底的石墨舟；3)按正常工藝生長氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于所述1)包括采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法，于1000℃～1150℃下以三甲基鎵、三甲基鋁和氨氣為源，在帶有藍寶石襯底陪片的石墨舟上生長一層約0.5～1μm厚的AlxGa1-xN合金薄膜，其中x＝0.05～0.20。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于所述正常工藝過程為氫氣氛下，1100℃～1150℃左右高溫烘烤襯底5～15分鐘，降溫至500℃～550℃氮化，并以三甲基鎵和氨氣為源生長低溫氮化鎵成核層，升溫至1000℃～1060℃以硅烷為摻雜劑生長2～3μm厚的N型氮化鎵，降溫到700℃～850℃左右生長氮化物多量子阱，升溫到1000℃～1150℃以二茂鎂為摻雜劑生長P型氮化鎵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化物多量子阱發(fā)光二極管的生長方法。采用金屬有機化合物氣相沉積方法先在帶有陪片的石墨舟上生長一層AlGaN薄膜；然后置換另一帶有藍寶石襯底的石墨舟；再按正常工藝生長氮化物多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。可提高氮化物多量子阱發(fā)光二極管外延片的晶體質(zhì)量，提高氮化物多量子阱藍色、紫色及紫外發(fā)光二極管外延片光熒光(PL)強度。進而，提高氮化物藍色、紫色及紫外發(fā)光二極管的發(fā)光強度?？蓮V泛應(yīng)用于金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號H01L33/00GK1591915SQ03156440
公開日2005年3月9日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者楊志堅, 張國義, 李忠輝, 余彤軍, 胡曉東, 陳志忠, 秦志新, 章蓓 申請人:北京大學(xué)