一种m面InGaN/GaN量子阱LED器件结构的生长方法

摘要

一种m面InGaN/GaN量子阱LED器件结构的生长方法，利用MOCVD在(100)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件结构，在MOCVD系统中对生长的(100)铝酸锂衬底在500－1050℃温度下进行材料热处理，在一定500－1050℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源，在(100)铝酸锂衬底上合成生长m面的GaN材料，再在该GaN材料上以500－1050℃生长N型层M面GaN，以及分别以700－900℃和600－800℃生长层厚分别为15－20nm和5－15nm的5－10个周期的m面GaN/m面InGaN量子阱结构，最后生长一层m面P型层GaN。

说明书

                           技术领域

本发明涉及在一种新型衬底(100)LiAlO2材料上用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术生长m面GaN/InGaN量子阱LED的方法，尤其是利用MOCVD技术在LiAlO2衬底材料上生长M面lnGaN/GaN量子阱LED器件结构。

                           背景技术

以GaN为代表的III V族宽直接带隙半导体由于具有带隙宽(Eg＝3.39eV)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。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材料非常坚硬，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，其融点较高，约为1700℃。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素，电子室温迁移率目前可以达900cm2/(V·s)。在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN样品存在较高(＞1018/cm3)的n型本底载流子浓度，现在较好的GaN样品的本底n型载流子浓度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底载流子浓度较高，制备p型GaN样品的技术难题曾经一度限制了GaN器件的发展。Nakamura等采用热退火处理技术，更好更方便地实现了掺Mg的GaN样品的p-型化，目前已经可以制备载流子浓度在1011～1020/cm3的p-型GaN材料。进入90年代以来，由于缓冲层技术的采用和p型参杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全球范围内发展起来，并且取得了辉煌的成绩。InGaN超高亮度蓝，绿光LED已经实现商品化。

衬底材料对于异质外延GaN的晶体质量影响很大，对器件的性能和可靠性产生重要的影响。缺乏与GaN晶格匹配而且热兼容的合适的衬底材料是影响GaN器件成熟的主要困难之一。目前最为广泛使用的C面蓝宝石(c-plane-Al₂O₃)衬底与GaN的晶格失配率高达13.6％。虽然通过缓冲层可改善外延膜和衬底的匹配，但这种严重的晶格失配仍会导致外延膜中高密度缺陷的产生，使器件的寿命和性能大大下降。虽然在GaN衬底上进行同质外延前景诱人，但生长出大尺寸GaN单晶体尚需时日，寻找其它理想的衬底材料也是解决问题的有效途径之一。LiA1O₂和GaN匹配非常好，它和GaN的晶格失配率分别只有1.4％，是很有发展前景的生长GaN的衬底材料。用C面LiAlO₂做衬底材料，采用MBE，HVPE等技术合成生长M面GaN的工作已有很多文献报道，而利用MOCVD生长技术在)铝酸锂衬底上合成生长InGaN/GaN量子阱材料及其LED尚未见报道。

本发明是利用MOCVD生长技术在(100)铝酸锂衬底上合成生长M面InGaN/GaN量子阱材料以及LED器件结构材料。用C面LiAlO2做衬底材料，采用MBE，HVPE等技术合成生长M面GaN的工作已有很多文献报道，而利用MOCVD生长技术在(100)铝酸锂衬底上合成生长M面InGaN/GaN量子阱材料及其LED尚未见报道。申请人首次利用MOCVD生长技术在(100)铝酸锂衬底上合成生长M面GaN薄膜材料以及M面InGaN/GaN量子阱LED器件结构。该申请在(100)铝酸锂衬底上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长M面InGaN/GaN量子阱LED器件结构，在技术上属于首次。M面InGaN/GaN量子阱的采用由于没有一般C面InGaN/GaN量子阱LED结构的自然极化效应有可能提高LED器件的内量子效率，从而提高器件的发光效率。

                             发明内容

本发明目的是：在(100)铝酸锂衬底上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长高亮度M面InGaN/GaN量子阱LED器件结构。

本发明的技术解决方案：在MOCVD系统中对生长的(100)铝酸锂衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在一定500-1050℃温度范围通入载气N₂，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在(100)铝酸锂衬底上合成生长m面的GaN材料，再在该GaN材料上生长一层掺杂浓度达5*10¹⁸cm^-1的m面N型GaN，接着分别以700-900℃和600-800℃生长层厚分别为15-20nm和5-15nm的5-10个周期的m面GaN/m面InGaN量子阱，最后生长一层掺杂浓度达3*10¹⁷cm^-1的m面P型GaN层的LED器件结构。并对该结构在600-800℃温度和0.1-1小时退火时间进行退火激活。

本发明的机理和技术特点：

一种m面InGaN/GaN量子阱LED器件结构的生长方法，利用MOCVD生长技术在(100)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件结构。在MOCVD系统中对生长的(100)铝酸锂衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在一定500-1050℃温度范围通入载气N₂，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在(100)铝酸锂衬底上合成生长m面的GaN材料，再在该GaN材料上以500-1050℃生长N型层M面GaN以及分别以700-900℃和600-800℃生长层厚分别为15-20nm和5-15nm的5-10个周期的m面GaN/m面InGaN量子阱结构，最后生长一层m面P型GaN的LED器件结构。N型层M面GaN浓度为5*10¹⁸cm^-1，P型层M面GaN浓度为3*10¹⁷cm^-1。并对该结构在600-800℃温度和0.1-1小时退火时间进行退火激活。

其中，(100)铝酸锂衬底的采用，以及铝酸锂衬底生长前的热退火工艺，热退火温度，生长后P型层退火激活温度和时间，生长材料的温度控制以及m面GaN/m面InGaN量子阱结构的生长和浓度为5*10¹⁸cm^-1N型层M面GaN，浓度为3*10¹⁷cm^-1P型层M面GaN是本发明的关键。

本发明在(100)铝酸锂衬底上生长GaN及InGaN/GaN量子阱LED器件结构的优化生长条件范围见表1所示。生长高亮度M面InGaN/GaN量子阱LED器件结构。

        表1.在(302)铝酸锂衬底上生长GaN的优化生长条件范围

  生长层  生长温度(℃)  压力(Torr  V/III比  材料  成核层  500-1050  0-500  铝酸锂衬底  缓冲层  500-1050  0-500  500-3000  M面GaN  N型层  500-1050  0-500  500-3000  M面N型GaN  生长层  M面GaN700-90  0-500  500-3000  M面GaN/InGaN  子阱  M面InGaN600-8  0-500  500-3000  P型层  800-1100  0-500  500-3000  M面P型GaN               P型层在600-800℃温度和0.1-1小时退火时间的退火激活

                         附图说明

图1为本发明的InGaN/GaN量子阱LED器件结构图。在该结构中，以(100)铝酸锂作为衬底材料，在该衬底上生长出m面GaN作为为缓冲层，再在该缓冲层上生长N型层M面GaN以及InGaN/GaN多量子阱，最后生长一层M面P型GaN的LED器件结构。其中InGaN/GaN多量子阱结构为：5-10个周期的M面GaN和15-20nmm的M面InGaN多量子阱。

图2为本发明在(100)铝酸锂衬底上生长的m面GaN的XRD扫描图。从图中可以看出，，(100)LiAl02衬底峰在34.66度。其面内晶格常数为a＝5.1687，c＝6.2679。样品的XRD峰位在32.26度，是晶体取向为[1-100]的M面单晶GaN，说明生长出的GaN薄膜是具有M面的GaN薄膜。经过计算LiAlO2(302)衬底与M面GaN薄膜的晶格匹配很好，分别为0.3％和1.7％。

图3为本发明在(100)铝酸锂衬底上生长的以生长的m面GaN为缓冲层的InGaN/GaN量子阱LED器件结构材料的XRC图。从图中可以看出明显的量子阱卫星峰。证明我们研制的InGaN/GaN量子阱LED器件结构质量较好。

图4为本发明在(100)铝酸锂衬底上生长的以生长的以m面GaN为缓冲层的InGaN/GaN量子阱LED器件结构LED管芯发光照片和电致发光图。从图中可以看到我们研制的以m面GaN为缓冲层的InGaN/GaN量子阱LED器件结构LED管芯电致发光谱在517.2nm波段。

                          具体实施方式

本发明利用MOCVD生长技术在(100)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件结构。具体包括以下几步：

1、在MOCVD系统中对生长的(100)铝酸锂衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，或然后通入氨气进行表面氮化。

2、再在500-1050℃温度范围通入载气N₂，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在(100)铝酸锂衬底上合成生长或m面的GaN材料。

3、再在该GaN材料上以500-1050℃生长N型层M面GaN，接着分别以700-900℃和

600-800℃生长层厚分别为15-20nm和5-15nm的5-10个周期的m面GaN/m面InGaN量子阱结构，最后生长一层P型GaN层的LED器件结构。其中，(100)铝酸锂衬底的采用，以及铝酸锂衬底生长前的热退火工艺，热退火温度控制，生长材料的温度控制，以及生长浓度为5*10¹⁸cm^-1N型层M面GaN，浓度为3*10¹⁷cm^-1P型层M面GaN，生长后P型层退火激活温度和时间和铝酸锂衬底上生长5-10个周期的m面GaN/m面InGaN量子阱LED器件结构是本发明的关键。

N型层和P型层GaN的制备利用常规的掺硅或掺镁的方法来完成。图1中Ni/AuTi/Al是金属电极。

在MOCVD系统中用(100)铝酸锂做衬底生长m面的GaN材料，在MOCVD系统中对生长的(100)铝酸锂衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，时间为10、30、60分钟无差别。

另一实施例是，在上述热处理后然后通入氨气进行表面氮化，时间为10、30、60分钟亦无显著差别。经处理后，然后在500-1050℃温度范围通入载气H₂和或N₂，氨气以及金属有机镓源和铟源，其中铟源流量保持不变，通过控制载气，镓源气体流量等参数，在(100)铝酸锂衬底上合成生长m面的GaN材料。

有机镓源为三甲基镓流为1-50sccm，有机铟源为三甲基铟流为50-200sccm。根据本装置的特点，采用不同流量的三甲基镓(铟)无显著区别，生长速度有所不同。载气流量为2-8slm。直接添加至衬底的氨气流量为1-15slm。NH₃流量为3-8slm，生长温度为500-1050℃。

载带气体的进一步控制是，H₂或N₂或H₂和N₂混合气体作为稀释气体，NH₃气作为氮源。H₂或N₂或H₂和N₂混合气稀释气流量2500-3500sccm，NH₃气500-7000sccm，反应区域温度也可以是500-1050℃，生长时间为8-20min的条件下可以获得完全的A面GaN薄膜。V/III比为500-3000，指N与Ga之摩尔比，参见附表。气体流量控制通过质量流量计来控制。

(100)铝酸锂衬底的采用，以及铝酸锂衬底生长前的热退火工艺，热退火温度控制以及生长材料的温度控制是本发明的关键。

本发明通入载气H₂、或N₂，也可以是H₂、与N₂混合气体，氨气以及金属有机镓源，提供氮源和镓源，通过控制载气，镓源气体流量等参数，本发明实施例表明：容易在(100)铝酸锂衬底上合成生长m面的GaN材料。薄膜的厚度通过生长时间来控制。