專利名稱：改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，屬于光電子 技術領域。
背景技術：
以GaN、InN.AlN為代表的三族氮化物屬于直接帶隙半導體材料，具有優(yōu)良的光電 特性，是制造短波長發(fā)光二極管(LED)、光電探測器中不可缺少的材料。GaN的帶隙是3. 4電 子伏(eV)，InN的帶隙是0.7eV，這兩種材料對應的發(fā)光波長分別位于紫外和紅外區(qū)域。以 GaN和InN組成的合金材料InGaN作為LED的發(fā)光有源區(qū)，隨著In組分的變化其發(fā)光波長 可覆蓋從紫外到紅外全部波段?，F(xiàn)在商業(yè)化的藍綠光LED都是以InGaN作為量子阱，通過 調節(jié)量子阱內的In組分改變發(fā)光波長。由于缺乏晶格匹配的襯底，三族氮化物都是異質外延在其他材料上，常用的襯底 有藍寶石、碳化硅等，常用的外延方法有金屬有機物化學氣相沉積(M0CVD)。由于和襯底的 晶格失配及熱失配很大，在藍寶石襯底上生長GaN時都是采用兩步生長法，即先在低溫下 生長一層低溫GaN作為緩沖層，然后升高到1000度以上的高溫生長GaN。因此現(xiàn)有的GaN 基LED芯片的結構由下至上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、高溫非摻雜GaN層、N型GaN層、 MQW層(多量子阱層)、P型AlGaN層和P型GaN層，襯底可以采用目前常用的藍寶石襯底， 外延生長方法最常用的還是M0CVD，具體包括以下步驟。(1)首先采用常規(guī)的低溫緩沖層生長方法在藍寶石襯底上生長低溫GaN緩沖層， 即在M0CVD生長爐的反應室內500°C —700°C下生長20nm—60nm厚的低溫GaN緩沖層；緩 沖層生長后，把反應室內溫度升高到1000°C —1200°C再在緩沖層上生長100nm—2000nm的 高溫非摻雜GaN層；然后生長2um-3um的摻雜Si的GaN ；(2)把反應室內的生長溫度調到700°C --800°C，反應室內的載氣由氫氣改為氮 氣，以氨氣作為反應氣體，通入三乙基鎵(TEGa)和三甲基銦(TMIn)生長InGaN/GaN多量子 阱；InGaN/GaN多量子阱包括GaN壘層和InGaN阱層；在現(xiàn)有常規(guī)的量子阱生長方法中，TMIn和TEGa以恒定的摩爾量通入反應室內，通 常生長量子阱的TEGa和TMIn的流量都是60umol/min。TMIn和TEGa都進入反應室時則生 長InGaN阱層，只通入TEGa時則生長GaN壘層。(3)然后把生長溫度升高到900°C -1200°C，生長P型AlGaN層和摻鎂的P型GaN層。在藍綠光LED中，InGaN作為量子阱結構的最重要組成部分，它的晶體質量影響著 LED的發(fā)光效率。由于InN和GaN的晶格失配達到10%，在較低In組分的InGaN材料中即 存在很大的應變；由于In原子半徑大于Ga原子半徑，In組分高時，發(fā)生相分離；In原子的 元素蒸汽壓比Ga原子高，生長時In原子更難引入。因此InGaN的生長面臨著許多困難。通 常生長時為了提高In原子的引入效率，采用隊做載氣；由于In原子的鍵能較低，在較低的 溫度下生長以防止其揮發(fā)。但根據K. Hiramatsu等人的報道(MRS Internet journal ofnitridesemiconductor research, Volume 2, articles 6,材料研究協(xié)會的氮化物半導體 研究網上雜志，第二卷，第六篇文章)，在GaN上生長InGaN時，In原子在InGaN中的分布并 不是一成不變。在InGaN的生長初始階段，In原子引入效率較低；隨著InGaN厚度增加，In 原子引入逐漸增加，直至達到飽和。作者認為這是由于In原子的引入導致應變能增加，這 種應變能會排斥In原子的引入。因此在InGaN材料的生長中，這種應變導致的In組分推 遲引入使InGaN材料中的In組分分布不均勻。圖1給出了通常的InGaN量子阱中In組分 沿生長方向的分布示意圖。在通常的藍綠光LED中，都采用InGaN作為量子阱材料，其中藍光LED中的In組 分約為15%，綠光LED中In組分約為20%。為保證量子阱的晶體質量，InGaN的厚度又很 薄，通常在3nm以內。這樣，InGaN量子阱內的In組分就會變得不均勻，使量子阱的上下界 面組分突變性變差；In組分的變化使發(fā)光波長均勻性變差，增加了發(fā)光帶寬，最終使發(fā)光 效率降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有InGaN量子阱內的In組分不均勻問題，提供一種改善InGaN量子 阱的In組分均勻性的外延生長方法，該方法可顯著改善In原子的引入效率，使量子阱內的 In組分更加均勻，得到界面組分突變好、發(fā)光效率高的InGaN量子阱。本發(fā)明的改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，是在生長InGaN量 子阱的前20秒內使TEGa或TMIn的流量高出常規(guī)正常生長流量的10%-80%，然后再變到 常規(guī)正常生長流量；或者是在以常規(guī)正常生長流量通入TEGa和TMIn之前，先以常規(guī)正常生 長流量通入TMIn 20秒；在一個InGaN量子阱生長結束后，停止通入TEGa和TMIn，使后續(xù) 生長中斷一段時間，使過多的In原子從量子阱表面揮發(fā)掉，以保證量子阱沿生長方向In組 分更均勻。TEGa或TMIn的流量由高出常規(guī)正常生長流量變到常規(guī)正常生長流量可以通過跳 變陡降式或逐漸漸變式進行。生長完量子阱后，由于In組分逐漸增多，停止通入TEGa和TMIn —段時間，使過多 的In原子從量子阱表面揮發(fā)，保證量子阱沿生長方向In組分更均勻，很好的改善了量子阱 的發(fā)光半寬及強度，這一點對含有In組分更高的綠光LED更有效。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)的采用恒量有機源TEGa和TMIn的方法，通過簡單的改變生長 源的流量或者通入的先后順序就能大大改善量子阱內的In組分分布，量子阱的開始階段 In組分即達到InGaN量子阱中的平均組分，使量子阱的上下界面更陡峭，在M0CVD的控制中 簡單易行，適用這種方法后制作的LED，其發(fā)光半峰寬大大改善，且強度也得到提高。


圖1是通常的InGaN量子阱中In組分沿生長方向的分布示意圖。圖2是本發(fā)明實施例1中生長量子阱時的TMIn的流量示意圖。圖3是本發(fā)明實施例2中生長量子阱時的漸變TMIn流量示意圖。圖4是本發(fā)明實施例3中生長量子阱時的TEGa流量示意圖。圖5是本發(fā)明實施例4中生長量子阱時的先通入TMIn的示意圖。
具體實施例方式實施例1本實施例是在生長InGaN量子阱的前20秒鐘的TMIn流量設定為90umol/min，再 跳變陡降到正常流量(eOumol/min)，如圖2所示。這樣，量子阱的開始階段通過加大In流 量會適當增加量子阱中In組分。生長完InGaN量子阱后，停止通入TEGa和TMIn—段時間， 使量子阱表面過多的In揮發(fā)，保證量子阱上下界面的In組分均勻性。生長完InGaN量子 阱后，把系統(tǒng)溫度升高到80(TC -90(TC生長GaN勢壘層。這樣一個InGaN/GaN量子阱結構 就存在了，可把這個過程重復5-10邊，就得到5-10個周期的InGaN/GaN多量子阱結構。實施例2本實施例是在InGaN量子阱生長的初始TMIn流量設定為90umol/min，之后再用 20秒鐘逐漸漸變到正常流量(eOumol/min)，如圖3所示。與實施例1的不同是，本實施例 是將TMIn流量逐漸漸變到正常流量。實施例3本實施例是在生長InGaN量子阱的前20秒鐘把TEGa流量設定為70umol/min，再 跳變陡降到正常流量(eOumol/min))，如圖4所示。這樣，量子阱的開始階段通過加大TEGa 流量也會適當增加量子阱中In組分。生長完一個量子阱后，停止通入TEGa和TMIn—段時 間，使量子阱表面過多的In揮發(fā)，保證量子阱上下界面的In組分均勻性。實施例1—實施例3中在生長InGaN量子阱的前20秒內使TEGa或TMIn的流量 高出常規(guī)正常生長流量的10% -80%都是可以的。實施例4本實施例是在生長多量子阱(MQW)之前預先按常規(guī)正常生長流量(eOumol/min) 通入20秒的TMIn，使量子阱生長前的GaN表面有一層In原子，之后再按常規(guī)正常生長流量 通入TEGa，這樣也會提高量子阱開始階段的In組份。如圖5所示。生長完一個量子阱后， 停止通入TEGa和TMIn —段時間，使量子阱表面過多的In揮發(fā)，保證量子阱上下界面的In 組分均勻性。
權利要求
一種改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，其特征是是在生長InGaN量子阱的前20秒內使TEGa或TMIn的流量高出常規(guī)正常生長流量的10％-80％，然后再變到常規(guī)正常生長流量；或者是在以常規(guī)正常生長流量通入TEGa和TMIn之前，先以常規(guī)正常生長流量通入TMIn 20秒；在一個InGaN量子阱生長結束后，停止通入TEGa和TMIn，使后續(xù)生長中斷一段時間，使過多的In原子從量子阱表面揮發(fā)掉，以保證量子阱沿生長方向In組分更均勻。
2 根據權利要求1所述的改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，其特征 是所述TEGa或TMIn的流量由高出常規(guī)正常生長流量變到常規(guī)正常生長流量是通過跳變 陡降式進行的。
3.根據權利要求1所述的改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，其特征 是所述TEGa或TMIn的流量由高出常規(guī)正常生長流量變到常規(guī)正常生長流量是通過逐漸 漸變式進行的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，是在生長InGaN量子阱的初始階段使TEGa或TMIn的流量高出常規(guī)正常生長流量，然后再跳變陡降或逐漸漸變到常規(guī)正常生長流量生長InGaN阱層；或者是先通入一定量的TMIn，然后按常規(guī)正常生長流量通入TEGa和TMIn生長InGaN量子阱；在一個InGaN量子阱生長結束后，中斷后續(xù)生長，使過多的In原子從量子阱表面揮發(fā)，以保證量子阱沿生長方向In組分更均勻。本發(fā)明通過簡單的改變生長源的流量或者通入的先后順序就能大大改善量子阱內的In組分分布，量子阱的開始階段In組分即達到InGaN量子阱中的平均組分，使量子阱的上下界面更陡峭，制作的LED發(fā)光半峰寬大大改善，強度得到提高。
文檔編號H01L21/205GK101872719SQ20101018106
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權日2010年5月25日
發(fā)明者曲爽, 朱學亮, 李樹強, 李毓鋒, 王成新 申請人:山東華光光電子有限公司