專(zhuān)利名稱(chēng)：在β三氧化二鎵襯底上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱L ED器件結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一種新型襯底β-Ga2O3材料上用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)技術(shù)生長(zhǎng)GaN/InGaN量子阱LED的方法，尤其是利用MOCVD技術(shù)在β-Ga2O3襯底材料上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。
背景技術(shù)：
β-Ga2O3是一種透明導(dǎo)體，其透光范圍可以從可見(jiàn)光到紫外光的范圍，并且其本征特性具有n型導(dǎo)電性。其禁帶寬度為Eg＝4.8eV(260nm)。由于它的這種重要特性使得它在未來(lái)短波長(zhǎng)光電子器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
以GaN為代表的III V族寬直接帶隙半導(dǎo)體由于具有帶隙寬(Eg＝3.39eV)、發(fā)光效率高、電子漂移飽和速度高、熱導(dǎo)率高、硬度大、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及抗輻射、耐高溫等特點(diǎn)，在高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器和紫外探測(cè)器等光電子器件以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的市場(chǎng)前景，引起人們的極大興趣和廣泛關(guān)注。GaN是III族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的III族氮化物材料。GaN材料非常堅(jiān)硬，其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，在室溫下不溶于水、酸和堿，其融點(diǎn)較高，約為1700℃。GaN的電學(xué)性質(zhì)是決定器件性能的主要因素，電子室溫遷移率目前可以達(dá)900cm2/(V·s)。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的非故意摻雜的GaN樣品存在較高(＞1018/cm3)的n型本底載流子濃度，現(xiàn)在較好的GaN樣品的本底n型載流子濃度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底載流子濃度較高，制備p型GaN樣品的技術(shù)難題曾經(jīng)一度限制了GaN器件的發(fā)展。Nakamura等采用熱退火處理技術(shù)，更好更方便地實(shí)現(xiàn)了摻Mg的GaN樣品的p-型化，目前已經(jīng)可以制備載流子濃度在1011～1020/cm3的p-型GaN材料。進(jìn)入90年代以來(lái)，由于緩沖層技術(shù)的采用和p型參雜技術(shù)的突破，對(duì)GaN的研究熱潮在全球范圍內(nèi)發(fā)展起來(lái)，并且取得了輝煌的成績(jī)。InGaN超高亮度藍(lán)，綠光LED已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。
襯底材料對(duì)于異質(zhì)外延GaN的晶體質(zhì)量影響很大，對(duì)器件的性能和可靠性產(chǎn)生重要的影響。缺乏與GaN晶格匹配而且熱兼容的合適的襯底材料是影響GaN器件成熟的主要困難之一。目前最為廣泛使用的C面藍(lán)寶石(c-plane-Al2O3)襯底由于其硬度大，以及天然的絕緣特性，使得在LED后道工藝變得比較復(fù)雜。雖然在GaN襯底上進(jìn)行同質(zhì)外延前景誘人，但生長(zhǎng)出大尺寸GaN單晶體尚需時(shí)日，尋找其它理想的襯底材料也是解決問(wèn)題的有效途徑之一。β-Ga2O3是一種透明導(dǎo)體，其透光范圍可以從可見(jiàn)光到紫外光的范圍，并且其本征特性具有n型導(dǎo)電性。其禁帶寬度為Eg＝4.8eV(260nm)。由于它的這種重要特性使得它可能成為一種很有發(fā)展前景的生長(zhǎng)GaN的襯底材料。用β-Ga2O3做襯底材料利用MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)合成生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱材料及其LED尚未見(jiàn)報(bào)道。
本申請(qǐng)人發(fā)明申請(qǐng)的是利用MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)在一種新型襯底β-Ga2O3材料上生長(zhǎng)GaN/InGaN量子阱LED的方法，尤其是利用MOCVD技術(shù)在β-Ga2O3襯底材料上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。申請(qǐng)人首次利用MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)在β-Ga2O3襯底材料上合成生長(zhǎng)GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)。該申請(qǐng)?jiān)讦?Ga2O3襯底材料上采用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)技術(shù)合成生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)，在技術(shù)上屬于首次。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是在β-Ga2O3襯底上采用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)技術(shù)合成生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案在β-Ga2O3襯底材料上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)的方法首先，在MOCVD系統(tǒng)中對(duì)生長(zhǎng)的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進(jìn)行材料熱處理，再在一定500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機(jī)源，通過(guò)控制載氣，源氣體流量以及生長(zhǎng)溫度等參數(shù)，在β-Ga2O3襯底上合成生長(zhǎng)GaN材料，再在該GaN材料上生長(zhǎng)一層摻雜濃度達(dá)5*1018cm-1的N型GaN，接著分別以700-900℃和600-800℃生長(zhǎng)層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個(gè)周期的GaN/InGaN量子阱，最后生長(zhǎng)一層摻雜濃度達(dá)3*1017cm-1的P型GaN層的LED器件結(jié)構(gòu)。并對(duì)該結(jié)構(gòu)在600-800℃溫度和0.1-1小時(shí)退火時(shí)間進(jìn)行退火激活。
本發(fā)明的機(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)利用MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)在β-Ga2O3襯底上合成生長(zhǎng)GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)。在MOCVD系統(tǒng)中對(duì)生長(zhǎng)的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進(jìn)行材料熱處理，然后或通入氨氣進(jìn)行表面氮化，再在一定500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機(jī)源，通過(guò)控制載氣，源氣體流量以及生長(zhǎng)溫度等參數(shù)，在β-Ga2O3襯底上合成生長(zhǎng)GaN材料，再在該GaN材料上以500-1050℃通過(guò)摻入Si生長(zhǎng)N型層GaN以及分別以700-900℃和600-800℃生長(zhǎng)層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個(gè)周期的GaN/InGaN量子阱結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)Mg摻雜生長(zhǎng)一層P型GaN的LED器件結(jié)構(gòu)。N型層GaN濃度為5*1018cm-1，P型層GaN濃度為3*1017cm-1。并對(duì)該結(jié)構(gòu)在600-800℃溫度和0.1-1小時(shí)退火時(shí)間進(jìn)行退火激活。從而形成InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)。
其中，β-Ga2O3襯底的采用，β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)GaN緩沖層，N型層GaN，5-10個(gè)周期的GaN/InGaN量子阱結(jié)構(gòu)和P型層GaN，以及β-Ga2O3襯底生長(zhǎng)前的熱退火工藝，熱退火溫度，生長(zhǎng)材料的溫度控制以及P型層GaN的退火激活工藝是本發(fā)明的關(guān)鍵。
本發(fā)明在β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)GaN及InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化生長(zhǎng)條件范圍見(jiàn)表1所示。
表1.在β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)GaN的優(yōu)化生長(zhǎng)條件范圍



圖1為本發(fā)明的InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)圖。在該結(jié)構(gòu)中，以β-Ga2O3作為襯底材料，在該襯底上生長(zhǎng)出GaN作為為緩沖層，再在該緩沖層上生長(zhǎng)N型層GaN以及InGaN/GaN多量子阱，最后生長(zhǎng)一層P型GaN的LED器件結(jié)構(gòu)。其中InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)為5-10個(gè)周期的GaN和15-20nmm的InGaN多量子阱。從而形成InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)。
圖2為本發(fā)明在β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)的GaN的XRD掃描圖。從圖中可以看出，，XRD掃描圖中出現(xiàn)多個(gè)β-Ga2O3襯底峰。而在其上生長(zhǎng)的(0002)GaN峰位在34.64度。XRD分析證明GaN薄膜厚度和質(zhì)量良好。
圖3為本發(fā)明在β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)的以(0002)GaN為緩沖層的InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)LED管芯發(fā)光照片，電致發(fā)光譜和光致發(fā)光譜。從圖中可以看到我們研制的以(0002)GaN為緩沖層的InGaN/GaN子阱LED器件發(fā)光為藍(lán)綠光(圖3的左上角附圖)。其結(jié)構(gòu)LED管芯電致發(fā)光譜(EL)在537nm波段，光致發(fā)光譜(PL)在529nm波段。PL采用He-Cd激光器做激發(fā)源。EL加在樣品上的電壓為20V，電流為0.7mA。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)在β-Ga2O3襯底上合成生長(zhǎng)GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)。具體包括以下幾步1、在MOCVD系統(tǒng)中對(duì)生長(zhǎng)的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進(jìn)行材料熱處理，或然后通入氨氣進(jìn)行表面氮化。另一實(shí)施例是，在上述熱處理后然后通入氨氣進(jìn)行表面氮化，時(shí)間為10、30、60分鐘亦無(wú)顯著差別。
2、經(jīng)熱處理后(或經(jīng)表面氮化后)，再在500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機(jī)鎵源和銦源，其中鎵源和銦源流量保持不變，通過(guò)控制載氣，鎵源氣體流量等參數(shù)，通過(guò)控制載氣，源氣體流量以及生長(zhǎng)溫度等參數(shù)，在β-Ga2O3襯底上合成生長(zhǎng)GaN緩沖層材料。
3、再在該GaN材料上以500-1050℃摻入Si生長(zhǎng)N型層GaN(1-1.5μm)，接著分別以700-900℃和600-800℃生長(zhǎng)層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個(gè)周期的GaN/InGaN量子阱結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)Mg摻雜生長(zhǎng)一層P型GaN層(200-500nm)的LED器件結(jié)構(gòu)。
4、有機(jī)鎵源為三甲基鎵流為1-50sccm。有機(jī)銦源為三甲基銦流為50-200sccm。載氣流量為2-8slm。直接添加至襯底的氨氣流量為1-15slm。NH3流量為3-8slm，生長(zhǎng)溫度為500-1050℃。H2或N2或H2和N2混合氣體作為稀釋氣體，NH3氣作為氮源。H2或N2或H2和N2混合氣稀釋氣流量2500-3500sccm，NH3氣500-700sccm，反應(yīng)區(qū)域溫度也可以是500-1050℃，生長(zhǎng)時(shí)間為8-20min的條件下可以獲得完全的A面GaN薄膜。V/III比為500-3000，指N與Ga之摩爾比。
5、其中，β-Ga2O3襯底的采用，以及β-Ga2O3襯底生長(zhǎng)前的熱退火工藝，熱退火溫度控制，生長(zhǎng)材料的溫度控制以及生長(zhǎng)濃度為5*1018cm-1N型層GaN，濃度為3*1017cm-1P型層GaN，生長(zhǎng)后P型層退火激活溫度和時(shí)間和鋁酸鋰襯底上生長(zhǎng)5-10個(gè)周期的GaN/InGaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)和氮?dú)庾鳛檩d氣是本發(fā)明的關(guān)鍵。
所述有機(jī)鎵源為三甲基鎵流為1-50sccm，有機(jī)銦源為三甲基銦流為50-200sccm。根據(jù)本裝置的特點(diǎn)，采用不同流量的三甲基鎵(銦)無(wú)顯著區(qū)別，生長(zhǎng)速度有所不同。載氣流量為2-8slm。直接添加至襯底的氨氣流量為1-15slm。NH3流量為3-8slm，生長(zhǎng)溫度為500-1050℃。
載帶氣體的進(jìn)一步控制是，H2或N2或H2和N2混合氣體作為稀釋氣體，NH3氣作為氮源。H2或N2或H2和N2混合氣稀釋氣流量2500-3500sccm，NH3氣500-7000sccm，反應(yīng)區(qū)域溫度也可以是500-1050℃，生長(zhǎng)時(shí)間為8-20min的條件下可以獲得GaN薄膜。V/III比為500-3000，指N與Ga之摩爾比，參見(jiàn)附表。氣體流量控制通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)來(lái)控制。
本發(fā)明通入載氣H2、或N2，也可以是H2、與N2混合氣體；氨氣以及金屬有機(jī)鎵源和金屬有機(jī)銦源，提供氮源，鎵源和銦源；通過(guò)控制載氣，鎵源和銦源氣體流量等參數(shù)，以及生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)控制薄膜的厚度。
N型層和P型層GaN的制備利用常規(guī)的摻硅或摻鎂的方法來(lái)完成。圖1中Ni/AuTi/Al是金屬電極。
權(quán)利要求
1.在β-Ga2O3襯底材料上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)的方法，其特征是在MOCVD系統(tǒng)中對(duì)生長(zhǎng)的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進(jìn)行材料熱處理，或然后通入氨氣進(jìn)行表面氮化；在500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機(jī)源，通過(guò)控制載氣，源氣體流量以及生長(zhǎng)溫度等參數(shù)，在β-Ga2O3襯底上合成生長(zhǎng)低溫GaN緩沖層材料；用MOCVD方法在β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)GaN緩沖層材料后在500-1050℃溫度下?lián)饺隨i生長(zhǎng)N型GaN；用MOCVD方法在β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)N型GaN層后接著生長(zhǎng)分別以700-900℃和600-800℃生長(zhǎng)層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個(gè)周期的GaN/InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)；最后通過(guò)Mg摻雜生長(zhǎng)一層摻雜濃度達(dá)3*1017cm-1的P型GaN層的LED器件結(jié)構(gòu)；并對(duì)該結(jié)構(gòu)在600-800℃溫度和0.1-1小時(shí)退火時(shí)間進(jìn)行退火激活。
2.由權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)的方法，其特征是有機(jī)鎵源為三甲基鎵和三甲基銦，流量分別為1-50sccm和50-200sccm，生長(zhǎng)溫度500-1050℃，時(shí)間為10-60分鐘；NH3氣500-700sccm，V/III比為500-3000，指N與Ga之摩爾比。
3.由權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)的方法，其特征是在MOCVD系統(tǒng)中，在β-Ga2O3襯底上，在500-1050℃溫度范圍合成生長(zhǎng)濃度小于1-10*1016cm-1GaN材料。
4.由權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)的方法，其特征是在該GaN材料上生長(zhǎng)一層摻雜濃度為1-10*1018cm-1N型層GaN。
5.由權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱LED器件結(jié)構(gòu)的方法，其特征是P型層GaN，尤其是3*1017cm-1的P型GaN。
全文摘要
在β－Ga
文檔編號(hào)H01S5/00GK1758456SQ200510094880
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月18日
發(fā)明者謝自力, 張 榮, 韓平, 劉成祥, 周圣明, 修向前, 劉斌, 李亮, 鄭有炓, 顧書(shū)林, 江若璉, 施毅, 朱順明, 胡立群 申請(qǐng)人:南京大學(xué)