一種GaN基量子阱紅光LED結構的生長方法

專利名稱：一種GaN基量子阱紅光LED結構的生長方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的合成生長GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料的生 長方法，尤其是利用金屬有機物化學汽相外延MOCVD技術，在藍寶石襯底生長一種GaN基 GaN/InGaN量子阱紅光LED結構的生長方法。
背景技術：
自從1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出GaN基的藍光發光二極 管LED, III族氮化物半導體材料與器件的研究得到了迅速的發展。高效率的短波長LED和 激光器已經研制成功。InGaN基的多量子阱MQWs結構是所有這些器件的核心結構。深入研 究和掌握InGaN基MQWs的光電特性對提高器件性能具有重要作用。在InGaN基MQWs中， 載流子的局域化已經被廣泛研究，通常認為這使載流子行為約束在小范圍內進行輻射復合 過程，而不被缺陷俘獲，是導致短波長光發射期間高效率的重要原因。 目前，氮化物中載流子局域化的物理圖像和規律依然沒有定論。提出的模型和描 述有很多，長期以來主要集中在三種模型(l)異質結構中的單層厚度起伏，這導致在整個 結構中包含多種不同實際厚度的量子阱，不同量子阱對載流子具有不同的量子限制作用； (2)結構中的組分和應力的空間不均勻分布，這導致在整個結構中存在勢阱的起伏；(3)完 全的相分離，這導致結構中包含完全不同組分的量子阱。這些模型的共同特點是，局域化效 應的表現，是以圍繞某一參量的起伏而引起的，如厚度的起伏或組分的起伏。并且，長時間 以來，通過透射電鏡TEM的觀察，認為這種起伏導致類似量子點的結構形成。近兩年來的最 新研究結果表明，以前的TEM結果并不是局域化產生的原因，目前沒有局域化物理結構的 觀測結果。載流子局域化在其光電行為上都表現得很明顯，但是其物理結構和能級結構依 然不清楚。這種本質規律的模糊，直接導致目前關于氮化物結構設計與器件研究，多是通過 表觀的測量與規律總結來進行探索。 在氮化物載流子局域化深入的研究當中，其中一個新的猜想是，導致載流子局域 化的物理結構是原子級非常小的結構，所以通常的微結構測量手段，如TEM，并不能觀察到。 這種原子尺度局域化結構的模型，與我們前期的實驗結果相對應。我們在特殊設計的氮化 物量子結構中的觀察到了與原子級結構改變導致的光發射變化。這個猜想的一個初步驗證 是日本科學家Chi Chi Bu所領導的氮化物半導體中正電子束熒光試驗。結果顯示空穴未 為人所知的行為對應于氮化物半導體中的某些原子級的結構，空穴的擴散長度只有幾個 晶格常數，小于4個納米的范圍，大大不同于以往人為的幾十到一百納米的擴散長度。這所 揭示的全新的氮化物載流子行為，為更加準確地設計氮化物能帶結構，充分利用氮化物的 材料特性，在具有高密度缺陷背景的氮化物材料中，實現高效率的輻射復合，提供了新型量 子結構設計的依據和基礎。 載流子的很多行為被束縛在極小的空間內，即使外延的材料具有很高的缺陷密 度，由于載流子行為大多已經被局域化，這些缺陷的作用被大大壓制了 ，這也是當前氮化物 材料雖然通常具有高密度缺陷，但仍可以在藍綠發光器件中實現高效率光發射的根本原因。徹底研究這種載流子局域化產生的本質原因和實際物理結構，不僅僅對于深入了解氮 化物半導體材料物性具有重要意義，而且可以進一步有目標地充分利用氮化物半導體這個 優異的特性，探索和實踐具有新特性的氮化物量子結構和器件。 利用氮化物半導體實現紅色發光發射系統一直是氮化物研究與應用的前沿熱點。 對于通常的藍綠發光器件，利用氮化物多量子阱結構，可以實現高效率特定波長的光發射， 這是器件有源區量子結構的特性所決定的。由于高In組份InGaN材料生長的困難，實現紅 光發射的GaN基紅光LED結構材料尚沒有報道。

發明內容
本發明要解決的問題是目前實現紅光發射的GaN基紅光LED結構材料尚沒有報 道，需要提供一種新型的合成生長GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料的生長方法， 尤其是利用金屬有機物化學汽相外延MOCVD技術在藍寶石襯底生長一種GaN基GaN/InGaN 量子阱紅光LED結構材料的方法。 本發明的技術方案為一種GaN基量子阱紅光LED結構的生長方法，利用金屬有機 物化學汽相外延MOCVD生長系統， 1)、對藍寶石襯底在1000-110(TC溫度下進行襯底材料熱處理后再通入氨氣進行 表面氮化，或在硅襯底材料上，在1000-1 IO(TC通入有機鋁源生長一層2-20nm的A1N層；
2)、在500-70(TC溫度范圍下通入載氣K、氨氣以及金屬有機源，金屬有機源為有 機鎵源，在經過步驟1)預處理的襯底上合成生長低溫GaN緩沖層； 3)、在1000-1150。C溫度下生長10分鐘以上，得到厚度在50nm以上的GaN支撐層；
4)、生長GaN支撐層材料后，在900-105(TC溫度下通入硅烷，生長一層硅摻雜 的N型GaN ;接著同時通入有機鎵源三甲基鎵TMGa和有機銦源三甲基銦TMIn，分別以 700-900。C和600-800。C生長層厚分別為15-20nm和5-15nm的2_10個周期的GaN/InGaN多 量子阱結構，其中量子阱中InxGai—，材料In組份通過溫度或TMIn流量控制組份x在0. 1 到0. 5之間，保證發光波長在紅光550nm到780nm之間； 5)、通過Mg摻雜生長一層摻雜濃度達3X 1017cm—3的P型GaN層，形成LED器件結 構，并對該結構在600-80(TC經0. 1-1小時退火時間進行退火激活，得到在藍寶石或硅襯底 上合成生長的GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料。 在MOCVD系統中，有機鎵源和銦源為三甲基鎵和三甲基銦，流量分別為l-50sccm 和50-200sccm，生長溫度500-1050°C ，時間為5-3600秒；氨氣流量控制在500-700sccm， V/ III比為500-50000， V/III比指N與Ga之摩爾比。 由上述生長方法獲得的紅光LED結構，In,Ga卜XN材料In組份通過溫度或三甲基銦
流量控制組份的x值在0. 1到0. 5之間，發光波長在紅光550nm到780nm之間。本發明中，厚度分別為15-20nm和5_15nm的2-10個周期的GaN/InGaN多量子阱
結構，其中量子阱中InxGai—XN材料In組份通過溫度或三甲基銦流量控制組份x值在0. 1到
0.5之間是本發明的關鍵。 本發明實現了 III族氮化物的紅光長波長發光，針對高In組份InGaN材料生長困 難的問題，本發明通過在MOCVD系統中，對有機鎵源和銦源的流量，生長溫度、時間，氨氣流 量，N與Ga之摩爾比等條件的控制和調整，解決了這一問題。本發明整個生長過程中，通過對溫度和反應物流量比等條件的嚴格控制，確定量子阱的發光波長，實現長波長發光，得到GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構。


圖1為本發明生長的GaN基紅光LED結構InGaN/GaN多量子阱樣品的(002)面三軸X射線衍射譜和擬合圖。 圖2為本發明生長的紅光LED結構樣品的室溫PL譜。 圖3為本發明生長的紅光LED結構InGaN/GaN多量子阱的AFM的三維形貌。
具體實施例方式
本發明利用金屬有機物化學汽相外延MOCVD外延生長系統在藍寶石襯底生長一種GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料的方法。具體包括以下幾步
1)、對藍寶石襯底在1000-110(TC溫度下進行襯底材料熱處理后再通入氨氣進行表面氮化，或在硅襯底材料上，在1000-1 IO(TC通入有機鋁源生長一層2-20nm的A1N層；
2)、在500-70(TC溫度范圍下通入載氣N^氨氣以及金屬有機源，金屬有機源為有機鎵源，在經過步驟1)預處理的襯底上合成生長低溫GaN緩沖層； 3)、在1000-1150。C溫度下生長10分鐘以上，得到厚度在50nm以上的GaN支撐層，生長時間越長，GaN支撐層越厚，可根據需要選擇生長時間及生長厚度；
4)、生長GaN支撐層材料后，在900-105(TC溫度下通入硅烷，生長一層硅摻雜的N型GaN， N型GaN濃度為5*1018cm—1 ;接著同時通入有機鎵源和有機銦源，分別以700-900°C和600-80(TC生長層厚分別為15-20nm和5-15nm的2_10個周期的GaN/InGaN多量子阱結構，其中量子阱中InxGai—XN材料In組份通過溫度或TMIn流量控制組份x在0. 1到0. 5之間，保證發光波長在紅光550nm到780nm之間； 有機鎵源和銦源為三甲基鎵和三甲基銦，流量分別為l-50sccm和50-200sccm ;上述生長過程的生長溫度為500-1050°C，時間為5-3600秒；氨氣NH3氣流量控制在500-700sccm ;V/III比為500-50000，指N與Ga之摩爾比; 5)、通過Mg摻雜生長一層摻雜濃度達3X 1017cm—3的P型GaN層，形成LED器件結構，并對該結構在600-80(TC經0. 1-1小時退火時間進行退火激活，得到在藍寶石或硅襯底上合成生長的GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料。 最后，通過Mg摻雜生長一層摻雜濃度達3W0"cm—1的P型GaN層的LED器件結構。并對該結構在600-80(TC溫度和0. 1-1小時退火時間進行退火激活。從而形成InGaN/GaN量子阱LED器件結構。 圖1為本發明生長的GaN基紅光LED結構InGaN/GaN多量子阱樣品的(002)面三軸X射線衍射譜和擬合圖。可以看出，(002)面GaN的峰值位置為17.2465°處。其右側的衛星峰達到-4級，說明樣品InGaN/GaN界面質量較好。擬合結果得到阱層厚度和In含量分別為4. 855nm和17. 695%，壘層厚度與In含量分別為15. 985nm和4. 162%。
圖2為本發明生長的紅光LED結構樣品的室溫PL譜。圖中可以明顯的看到InGaN量子阱的雙峰發射，峰位分別位于434nm和579nm。最左邊的364nm的峰為GaN層的光致發光。圖中表面具有尖峰結構，這種結構能夠增加InGaN多量子阱層In成分的完全相偏
5析。因偏析而形成的富In區域能在表面形成量子線或量子點狀結構。有報道過InGaN/GaN多量子阱電致發光雙峰起源的研究，認為較長波長的光的發射起源于量子阱和量子點的發光，而波長較短的光的發射源于InGaN量子阱發光。故我們可推斷在本樣品中峰值波長位于579nmr的峰由表面量子點光致發光產生，而434nm的峰則由樣品表面下的InGaN阱層產生。而激發光的穿透深度有限，由遠離表面的阱層產生的短波長光強度較弱。大部分激發光被表面吸收產生了我們所希望得到的長波長光。因此我們在光致發光實驗中可明顯的觀察到紅光的發射。 圖3為本發明生長的紅光LED結構InGaN/GaN多量子阱的AFM的三維形貌。從圖中可看出有很多島狀的突起物，其最大高度為30. 564nm，平均粗糙度為5. 68nm。 W. Lu等人計算的InGaN阱層In含量為17. 695%的馳豫臨界厚度為4. 8148nm，而本發明擬合出的阱層厚度為4. 855，比臨界厚度稍微大點，已發生應變馳豫，證明本發明生長的材料質量比較好。 本發明利用金屬有機物化學汽相外延M0CVD外延生長系統在藍寶石襯底生長一種GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料的方法。利用高銦組份InGaN/GaN量子阱材料研制紅光LED結構材料目前尚未見報道。本發明首次利用MOCVD生長技術在藍寶石襯底上合成生長GaN基紅光LED結構，在技術上屬于首次。 金屬有機物化學汽相外延MOCVD技術的生長方法是一種常用的材料生長方法，但如何選擇襯底，如何得到高結晶高質量的InGaN/GaN量子阱材料非常值得研究，包括生長的技術條件，緩沖層的設計等等均是生產中需要解決的問題。本發明在材料上是一種發明，在生長方法上是一種改進，在用途上有著進一步的拓展。
權利要求
一種GaN基量子阱紅光LED結構的生長方法，其特征是利用金屬有機物化學汽相外延MOCVD生長系統，1)、對藍寶石襯底在1000-1100℃溫度下進行襯底材料熱處理后再通入氨氣進行表面氮化，或在硅襯底材料上，在1000-1100℃通入有機鋁源生長一層2-20nm的AlN層；2)、在500-700℃溫度范圍下通入載氣N2、氨氣以及金屬有機源，金屬有機源為有機鎵源，在經過步驟1)預處理的襯底上合成生長低溫GaN緩沖層；3)、在1000-1150℃溫度下生長10分鐘以上，得到厚度在50nm以上的GaN支撐層；4)、生長GaN支撐層材料后，在900-1050℃溫度下通入硅烷，生長一層硅摻雜的N型GaN；接著同時通入有機鎵源三甲基鎵TMGa和有機銦源三甲基銦TMIn，分別以700-900℃和600-800℃生長層厚分別為15-20nm和5-15nm的2-10個周期的GaN/InGaN多量子阱結構，其中量子阱中InxGa1-xN材料In組份通過溫度或TMIn流量控制組份x在0.1到0.5之間，保證發光波長在紅光550nm到780nm之間；5)、通過Mg摻雜生長一層摻雜濃度達3×1017cm-3的P型GaN層，形成LED器件結構，并對該結構在600-800℃經0.1-1小時退火時間進行退火激活，得到在藍寶石或硅襯底上合成生長的GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料。
2. 根據權利要求l所述的一種GaN基量子阱紅光LED結構的生長方法，其特征 是在MOCVD系統中，有機鎵源和銦源為三甲基鎵和三甲基銦，流量分別為1 -50sccm和 50-200sccm，生長溫度500-1050。C，時間為5-3600秒；氨氣流量控制在500-700sccm， V/III 比為500-50000， V/III比指N與Ga之摩爾比。
全文摘要
一種GaN基量子阱紅光LED結構的生長方法，利用金屬有機物化學汽相外延MOCVD生長系統，得到GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構材料，其中量子阱中InxGa1-xN材料In組份控制組份x在0.1到0.5之間。本發明實現了III族氮化物的紅光長波長發光，針對高In組份InGaN材料生長困難的問題，本發明通過在MOCVD系統中，對有機鎵源和銦源的流量，生長溫度、時間，氨氣流量，N與Ga之摩爾比等條件的控制和調整，解決了這一問題。本發明整個生長過程中，通過對溫度和反應物流量比等條件的嚴格控制，確定量子阱的發光波長，實現長波長發光，得到GaN基GaN/InGaN量子阱紅光LED結構。
文檔編號C23C16/34GK101714603SQ20091021266
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月13日 優先權日2009年11月13日
發明者修向前, 傅德頤, 劉斌, 華雪梅, 張 榮, 施毅, 李毅, 蘇輝, 謝自力, 趙紅, 鄭有炓, 陳鵬, 韓平 申請人:南京大學