專利名稱：一種制備InGaN基多量子阱層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用銦鎵氮(InGaN)半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造。更具體而 言，本發(fā)明涉及一種外延生長具有多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量半導(dǎo)體材料的技術(shù)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)證實III - V族氮化物化合物(如feiN，InN,和AIN)和合金化合物(如AlGaN， InGaNJPAlGAlnN)在藍綠光譜內(nèi)能產(chǎn)生高亮度的發(fā)光。近年來，這種高亮度發(fā)光推動其在 發(fā)光二極管(LED)和激光二極管的應(yīng)用，反過來也改變了彩顯市場。應(yīng)用III-V族氮化物 材料的高亮度LED為許多先前認為不可行的領(lǐng)域打開了大門，如應(yīng)用于交通燈和平板顯示 的白光光源。此外，目前應(yīng)用III- V族氮化物材料的紫外激光二極管已被廣泛地應(yīng)用于科 學(xué)儀表，實驗室以及商業(yè)產(chǎn)品中。LED的有源區(qū)是產(chǎn)生發(fā)光的區(qū)域，它通常包括具有多個周期量子阱結(jié)構(gòu)的多量子 阱(MQW)結(jié)構(gòu)。單量子阱結(jié)構(gòu)可包括如夾在基于氮化鎵OiaN)或氮化鋁鎵(AWaN)材料的 勢壘之間的銦鎵氮(InGaN)基勢阱。載流子陷于勢壘之間的阱內(nèi)。MQW結(jié)構(gòu)擁有更高的載 流子密度并因此增大了載流子復(fù)合率。載流子復(fù)合越快，發(fā)光器件效率越高。MQff結(jié)構(gòu)中銦(In)的濃度是決定LED發(fā)射光顏色的因素之一。具體而言，LED的 發(fā)光顏色隨著hGaN濃度的不同或MQW結(jié)構(gòu)內(nèi)InGaN GaN的比例不同而改變。InGaN的 In濃度與GaN之比越大，可見光的波長越長。例如，LED發(fā)射綠光時MQW結(jié)構(gòu)內(nèi)^的濃度 高于LED發(fā)射藍光時h的濃度，原因是綠光波長比藍光波長更長。產(chǎn)生更長波長的光的一 個挑戰(zhàn)就是在增大MQW結(jié)構(gòu)中^濃度的同時保持MQW結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。一般來說，LED制造過程包括要對結(jié)構(gòu)施以相對高的溫度才能獲得高質(zhì)量MQW結(jié) 構(gòu)。在傳統(tǒng)方法中，為了增大h的濃度，MQW結(jié)構(gòu)中的InGaN勢阱在適中的溫度下生長，隨 后將溫度升高至少100°C用于GaN勢壘的生長。為避免^iGaN阱內(nèi)In-N鍵斷裂，制備MQW結(jié)構(gòu)的理想溫度是低于800°C。然而，在 較低的溫度制備MQW結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致低質(zhì)量的MQW結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例提供了一種應(yīng)用銦鎵氮(InGaN)半導(dǎo)體材料來制備含有至 少一個量子阱的有源區(qū)的方法。該方法包括通過向反應(yīng)室內(nèi)注入h前驅(qū)體氣體和( 前驅(qū) 體氣體，于第一預(yù)設(shè)溫度在疊層III- V族氮化物結(jié)構(gòu)上制備勢阱。該方法進一步包括制備 所述勢阱后，停止注入( 前驅(qū)體氣體，繼續(xù)通入^前驅(qū)體氣體，反應(yīng)室的溫度升至第二預(yù) 設(shè)溫度，同時將^前驅(qū)體氣體流速從第一流速調(diào)整為第二流速。此外，該方法包括在第二 預(yù)設(shè)溫度對所述勢阱進行退火和穩(wěn)定處理，同時保持第二流速。方法還包括在所述勢阱上 于第二預(yù)設(shè)溫度制備勢壘，同時恢復(fù)( 前驅(qū)體氣體。在該實施例的一個變型中，所述疊層III-V族氮化物結(jié)構(gòu)包括襯底、緩沖層、以及 n-型半導(dǎo)體層。
在該實施例的一個變型中，所述第一預(yù)設(shè)溫度為700 950°C。在該實施例的一個變型中，制備所述勢阱包括保持h和( 前驅(qū)體氣體流50 200s。在該實施例的一個變型中，所述h前驅(qū)體氣體是三甲基銦。在該實施例的進一步變型中，制備所述勢阱包括注入流速為160 360sCCm的三 甲基銦氣體。在該實施例的一個變型中，所述( 前驅(qū)體氣體是TMGa，且制備所述勢阱包括注入 流速為0. 4 2. 4sccm的TMGa氣體。在該實施例的一個變型中，所述第二預(yù)設(shè)溫度為830 1050°C。在該實施例的一個變型中，所述h前驅(qū)體氣體的第一流速為25 lOOsccm。在該實施例的一個變型中，所述h前驅(qū)體氣體的第二流速為50 300SCCm。在該實施例的一個變型中，在25 400s內(nèi)完成升高至第二預(yù)設(shè)溫度。


構(gòu)成說明書一部分且附于說明書中的圖形用于描述本發(fā)明的一些特征。通過參考 這些圖形中的一或多個并結(jié)合這里所給出的描述，可以更好的理解本發(fā)明。應(yīng)注意的是，圖 形中說明的特征不一定是按規(guī)定比例繪制。圖1圖示了生長單個hGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)過程的特征溫度-時間圖。圖2圖示了根據(jù)一個實施例制備的含有hGaN/GaN MQff結(jié)構(gòu)的示例性LED的橫截 面視圖。圖3給出流程圖說明制備GaN基LED有源區(qū)的常規(guī)方法。圖4給出流程圖說明根據(jù)一個實施例的制備GaN基LED有源區(qū)的步驟。
具體實施例方式給出以下描述，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。公開實施例的各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而 易見的，且在不離開本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍的情況下，這里限定的一般原理可以應(yīng)用到 其它實施例和應(yīng)用中。因而，本發(fā)明不限于所示出的實施例，而是與權(quán)利要求的最寬范圍一致。本發(fā)明的實施例提供了一種應(yīng)用InGaN半導(dǎo)體材料外延制備高質(zhì)量多量子阱 (MQff)結(jié)構(gòu)的方法。三甲基銦(TMh)作為h源。利用上述MQW結(jié)構(gòu)制成的發(fā)光二極管 (LED)可發(fā)出高效的藍光和綠光。圖1圖示了生長單fhGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)過程特征溫度-時間圖。這個過程可 分成五個周期，分別表示為周期110，120，130，140和150。在周期110期間，InGaN勢阱在 、溫度下生長。隨后，在周期120期間，溫度從、升至t2。接著，在周期130期間，在、溫 度下對在周期110內(nèi)生長的量子阱進行退火和穩(wěn)定處理。接下來，在周期140期間，在、溫 度時生長GaN勢壘。然后在周期150期間，降低溫度準(zhǔn)備其他量子阱或其他結(jié)構(gòu)的生長。圖2圖示了根據(jù)一個實施例制備的含有hGaN/GaN MQff結(jié)構(gòu)的示例性LED的橫截 面視圖。LED 200包括襯底210，緩沖層220，III-V族氮化物η-型層230，MQW有源區(qū)240，以及III - V族氮化物P-型層250。MQff有源區(qū)240包括多個(如4個)量子阱。在一個實 施例中，每個量子阱，也就是組成MQW有源區(qū)MO中的一個周期，包括InGaN基勢阱和GaN 基勢壘。根據(jù)一個實施例，制備MQW有源區(qū)240應(yīng)用的是的富h法。圖3給出流程圖說明GaN基LED有源區(qū)的常規(guī)制備步驟。制備過程包括多個步驟 (320-310)。在步驟302中，在反應(yīng)室內(nèi)，疊層III-V族氮化物結(jié)構(gòu)首先在襯底上制備。疊 層結(jié)構(gòu)可包括緩沖層和III - V族氮化物η-型層。在η-型層上制備具有一個或多個量子阱的有源區(qū)。以下描述的步驟304，306，308 及310說明了制備一個量子阱周期的常規(guī)過程。對于有源區(qū)來說，具有η個量子阱周期就 有η次重復(fù)的操作。MQW結(jié)構(gòu)中的每個量子阱周期可在大體相同或不同的外延條件下生長。在步驟304中，對應(yīng)圖1中的周期110，在反應(yīng)室內(nèi)，在高于720°C但低于800°C的 溫度下制備勢阱150s。應(yīng)注意的是，氮氣作為載氣，三甲基銦和三甲基鎵(TMGa)作為前驅(qū) 體。三甲基銦的流速是260標(biāo)準(zhǔn)立方分米每秒(sccm)，TMGa的流速是1. 4sccm0在步驟306中，對應(yīng)圖1中的周期120，反應(yīng)室內(nèi)的溫度從800°C逐漸上升至 950°C。半導(dǎo)體材料在950°C時在反應(yīng)室內(nèi)停留100s。勢阱制備完成后，關(guān)閉前驅(qū)體氣流， 但繼續(xù)供應(yīng)載氣。在步驟308中，對應(yīng)圖1中周期130，反應(yīng)室內(nèi)溫度保持在950°C大約60s。這60s 設(shè)定時間穩(wěn)定了量子阱結(jié)構(gòu)并防止結(jié)構(gòu)內(nèi)缺陷形成。在步驟310中，在950°C時外延生長GaN勢壘大約60s。開啟供應(yīng)TMfei流且流速 從1. 4sCCm升至Ssccm。應(yīng)注意的是，利用常規(guī)方法制備的有源區(qū)被正向偏置時，可產(chǎn)生大 約470nm波長的可見光。完成步驟310時降低溫度。重復(fù)步驟304至310預(yù)設(shè)次數(shù)后，然 后在有源區(qū)上形成III - V族ρ-型氮化物層和歐姆接觸。在常規(guī)方法中，在步驟306中，勢阱制備完成后，關(guān)閉前驅(qū)體氣流，但仍供應(yīng)載氣。 同時，在退火處理期間，制備的InGaN半導(dǎo)體材料暴露在高出最初生長溫度100°C的溫度 中。這個更高的溫度會打斷勢阱內(nèi)的h-Ν鍵，導(dǎo)致h汽化，從而減小h的濃度。盡管增 大h ( 比可增加^!的濃度，但是收效甚微。原因是在隨后的退火過程期間，一定數(shù)量 的^仍會從長好的勢阱中逃離。本發(fā)明的實施例可實現(xiàn)在^iGaN基勢阱內(nèi)保持高濃度的^1。在一個實施例中，在 相對低的溫度下制備In，隨后在更高的溫度下在富h環(huán)境中對結(jié)構(gòu)進行退火。退火期間保 持供應(yīng)三甲基銦前驅(qū)體氣流?；谄诖伾陌l(fā)射光來預(yù)設(shè)TMh的流速。圖4給出流程圖說明根據(jù)一個實施例制備GaN基LED有源區(qū)的過程。制備過程包 括多個步驟(402-410)。在步驟402中，一樣用圖3所示的方法生長緩沖層和III - V族氮化 物η-型層，在η-型層上形成具有一個或多個量子阱的有源區(qū)。以下描述的步驟404，406， 408及410闡述了制備一個量子阱周期的過程。對有源區(qū)來說，具有η個量子阱周期，這些 步驟就要重復(fù)η次。MQW結(jié)構(gòu)中的每個量子阱周期可在大體上相同或不同的外延條件下生 長。在步驟404中，應(yīng)用富h前驅(qū)體氣體(如TMh)，在第一溫度制備MQW結(jié)構(gòu)的勢阱 一段時間。在一個實施例中，第一溫度高于常規(guī)方法操作304中的溫度。因此與常規(guī)方法 相比，本發(fā)明實施例生長出更高質(zhì)量的阱。在步驟406中，制備阱后，停止供應(yīng)( 前驅(qū)體氣流，但保持供應(yīng)^前驅(qū)體氣流，同時反應(yīng)室內(nèi)溫度逐漸升至第二溫度。在一個實施例中，三甲基銦的流速逐漸增大至預(yù)設(shè)流 速，以減少h的汽化率。在一個實施例中，流速從lOOml/min增至300ml/min。在步驟408中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在第二溫度下停留在反應(yīng)室內(nèi)一段時間，目的是為了 給制備好的材料退火并穩(wěn)定。繼續(xù)以預(yù)設(shè)流速供應(yīng)TMh，但關(guān)閉( 前驅(qū)體氣流。在步驟410中，在第二溫度下生長勢壘一段時間。開始供應(yīng)TMfe流并將其流速設(shè) 置得比制備阱時的流速更高。緊接著降低反應(yīng)室內(nèi)溫度，準(zhǔn)備其他結(jié)構(gòu)的下一個量子阱的 生長。最佳實施例以下給出的是制備GaN基LED有源區(qū)的最佳實施例。在襯底上制備包括III - V族 氮化物層的疊層III- V族氮化物結(jié)構(gòu)后，在Π-型層上制備具有5個量子阱的有源區(qū)。下面 描述的是生長一個量子阱周期的步驟，這樣的步驟要重復(fù)5次。在反應(yīng)室內(nèi)外延生長MQW結(jié)構(gòu)的InGaN勢阱，生長溫度大約為830°C，時間持續(xù)大 約150s。第一溫度高于常規(guī)方法中的第一溫度。與采用常規(guī)方法制備相比，更高的溫度得 到更高質(zhì)量的量子阱。氮氣作為載氣，TMh和TMfe1作為前驅(qū)體。TMh的流速大約為沈0 標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘，TMGa的流速大約為1. 4標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘。反應(yīng)室內(nèi)溫度從830°C逐漸上升至大約950°C。半導(dǎo)體材料在950°C的溫度下停留 在反應(yīng)室內(nèi)大約100s。關(guān)閉TMfe1流，但三甲基銦的流速從50標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘逐漸增大至 150標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘，以減少h的汽化率。反應(yīng)室溫度保持在950°C大約60s，以用于制備好的材料退火和穩(wěn)定。這60s設(shè)定 時間穩(wěn)定了 MQW結(jié)構(gòu)并防止了缺陷形成。繼續(xù)以150標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘的流速供應(yīng)三甲基銦 流，同時關(guān)閉TMGa。InGaN勢阱制備完成后，在950°C時外延生長GaN勢壘大約60s。開啟TMfei流并設(shè) 定流速為8標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘。制備好的有源區(qū)產(chǎn)生大約470nm波長的光且具有7mW的輸出 功率。隨后，降低反應(yīng)室內(nèi)的溫度，準(zhǔn)備用于下一個量子阱周期的生長。給出不同的實施例，詳細的描述以及不同例子對本發(fā)明進行闡述的目的是為了便 于本發(fā)明不同特征或組成的實施執(zhí)行。然而，發(fā)明人并非旨在將本發(fā)明限于所示的說明。在 不偏離本發(fā)明精神實質(zhì)的前提下，可以對本發(fā)明的特征或組成做出修改，但是修改仍然在 所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用銦鎵氮(InGaN)半導(dǎo)體材料制備含有至少一個量子阱的有源區(qū)的方法，該 方法包括通過往反應(yīng)室內(nèi)注入h前驅(qū)體氣體和( 前驅(qū)體氣體，于第一預(yù)設(shè)溫度在疊層III - V 族氮化物結(jié)構(gòu)上制備勢阱；制備所述勢阱之后，停止供應(yīng)( 前驅(qū)體氣體，保持供應(yīng)h前驅(qū)體氣體流，反應(yīng)室內(nèi)溫 度升至第二預(yù)設(shè)溫度，同時將h前驅(qū)體氣體流速從第一流速調(diào)整為第二流速；在第二預(yù)設(shè)溫度下對所述勢阱進行退火和穩(wěn)定處理，同時保持所述第二流速；在所述勢阱上于所述第二預(yù)設(shè)溫度制備勢壘，同時恢復(fù)供應(yīng)( 前驅(qū)體氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述疊層III-V族氮化物結(jié)構(gòu)包括襯底，緩 沖層和η-型半導(dǎo)體層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一預(yù)設(shè)溫度為700 950°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于制備所述勢阱包括保持所述^和( 前驅(qū) 體流速50 200秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述^前驅(qū)體氣體是三甲基銦。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于制備所述勢阱包括注入流速為160 260 標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘的三甲基銦氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述( 前驅(qū)體氣體為三甲基鎵，且制備所 述勢阱包括注入流速大約為0. 4 2. 4標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘的TMGa氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第二預(yù)設(shè)溫度為850°C 1050°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述^前驅(qū)體氣體的第一流速為25 100 標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述^前驅(qū)體氣體的第二流速為50 300標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在25 400s內(nèi)完成升高至所述第二預(yù)設(shè)溫度。
12.—種含有包括至少一個基于InGaN半導(dǎo)體材料的量子阱的有源區(qū)的發(fā)光器件，該 器件包括疊層III-V族氮化物結(jié)構(gòu)；在所述疊層III- V族氮化物結(jié)構(gòu)上的勢阱，其中勢阱是通過下列步驟制備將所述疊 層III-V族氮化物結(jié)構(gòu)放置在第一預(yù)設(shè)溫度的反應(yīng)室內(nèi)，向反應(yīng)室內(nèi)注入^!前驅(qū)體氣體和 Ga前驅(qū)體氣體，制備所述勢阱之后，停止所述( 前驅(qū)體氣體，保持所述^前驅(qū)體氣體流，反 應(yīng)室內(nèi)溫度升至第二預(yù)設(shè)溫度，同時將所述^前驅(qū)體氣體的流速從第一流速調(diào)整為第二 流速，以及在所述第二預(yù)設(shè)溫度下對所述勢阱進行退火和穩(wěn)定處理，同時保持所述第二流 速；在所述勢阱上于所述第二預(yù)設(shè)溫度制備的勢壘；以及III - V族P-型氮化物層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于所述疊層III- V族氮化物結(jié)構(gòu)包括緩沖 層和η-型半導(dǎo)體層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于所述第一預(yù)設(shè)溫度為700 950°C。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于注入所述h和( 前驅(qū)體氣體包括保持 所述h和( 前驅(qū)體氣流50 200s。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于所述h前驅(qū)體氣體為三甲基銦。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于注入所述^前驅(qū)體氣體包括注入流速為 160 360標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘的三甲基銦氣體。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于所述( 前驅(qū)體氣體是TMGa，其中注入所 述( 前驅(qū)體氣體包括注入流速為0. 4 2. 4標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘的TMGa氣體。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于所述第二預(yù)設(shè)溫度為850 1050°C。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于所述^前驅(qū)體氣體的第一流速為25 100標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于所述^前驅(qū)體氣體的第二流速為50 300標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于在25 400s內(nèi)完成升高至所述第二預(yù)設(shè)溫度。
全文摘要
一種利用銦鎵氮(InGaN)半導(dǎo)體材料制備量子阱的方法，該方法包括通過向反應(yīng)室內(nèi)注入In前驅(qū)體氣體和Ga前驅(qū)體氣體，在疊層Ⅲ-Ⅴ族氮化物結(jié)構(gòu)上于第一預(yù)設(shè)溫度下制備勢阱。該方法進一步包括制備所述勢阱之后，停止供應(yīng)Ga前驅(qū)體氣體，保持供應(yīng)In前驅(qū)體氣體流，將反應(yīng)室內(nèi)溫度升高至第二預(yù)設(shè)溫度，同時將In前驅(qū)體氣體流速從第一流速調(diào)整為第二流速。此外，該方法包括在第二預(yù)設(shè)溫度時對所述勢阱進行退火和穩(wěn)定處理，同時保持第二流速。方法還包括在所述勢阱上以第二預(yù)設(shè)溫度制備勢壘，同時恢復(fù)供應(yīng)Ga前驅(qū)體氣體。
文檔編號H01L21/205GK102067347SQ200880130737
公開日2011年5月18日 申請日期2008年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者方文卿, 江風(fēng)益, 王立, 莫春蘭 申請人:晶能光電(江西)有限公司