專利名稱：在β三氧化二鎵襯底上生長InGaN/GaN量子阱L ED器件結構的方法
技術領域：
本發明涉及在一種新型襯底β-Ga2O3材料上用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)技術生長GaN/InGaN量子阱LED的方法，尤其是利用MOCVD技術在β-Ga2O3襯底材料上生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構工藝技術。
背景技術：
β-Ga2O3是一種透明導體，其透光范圍可以從可見光到紫外光的范圍，并且其本征特性具有n型導電性。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短波長光電子器件領域具有重要的應用前景。
以GaN為代表的III V族寬直接帶隙半導體由于具有帶隙寬(Eg＝3.39eV)、發光效率高、電子漂移飽和速度高、熱導率高、硬度大、介電常數小、化學性質穩定以及抗輻射、耐高溫等特點，在高亮度藍光發光二極管、藍光激光器和紫外探測器等光電子器件以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子器件領域有著巨大的應用潛力和廣闊的市場前景，引起人們的極大興趣和廣泛關注。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材料非常堅硬，其化學性質非常穩定，在室溫下不溶于水、酸和堿，其融點較高，約為1700℃。GaN的電學性質是決定器件性能的主要因素，電子室溫遷移率目前可以達900cm2/(V·s)。在藍寶石襯底上生長的非故意摻雜的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樣品的技術難題曾經一度限制了GaN器件的發展。Nakamura等采用熱退火處理技術，更好更方便地實現了摻Mg的GaN樣品的p-型化，目前已經可以制備載流子濃度在1011～1020/cm3的p-型GaN材料。進入90年代以來，由于緩沖層技術的采用和p型參雜技術的突破，對GaN的研究熱潮在全球范圍內發展起來，并且取得了輝煌的成績。InGaN超高亮度藍，綠光LED已經實現商品化。
襯底材料對于異質外延GaN的晶體質量影響很大，對器件的性能和可靠性產生重要的影響。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雜。雖然在GaN襯底上進行同質外延前景誘人，但生長出大尺寸GaN單晶體尚需時日，尋找其它理想的襯底材料也是解決問題的有效途徑之一。β-Ga2O3是一種透明導體，其透光范圍可以從可見光到紫外光的范圍，并且其本征特性具有n型導電性。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展前景的生長GaN的襯底材料。用β-Ga2O3做襯底材料利用MOCVD生長技術合成生長InGaN/GaN量子阱材料及其LED尚未見報道。
本申請人發明申請的是利用MOCVD生長技術在一種新型襯底β-Ga2O3材料上生長GaN/InGaN量子阱LED的方法，尤其是利用MOCVD技術在β-Ga2O3襯底材料上生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構工藝技術。申請人首次利用MOCVD生長技術在β-Ga2O3襯底材料上合成生長GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件結構。該申請在β-Ga2O3襯底材料上采用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)技術合成生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構，在技術上屬于首次。
發明內容
本發明目的是在β-Ga2O3襯底上采用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)技術合成生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構。
本發明的技術解決方案在β-Ga2O3襯底材料上生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構的方法首先，在MOCVD系統中對生長的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進行材料熱處理，再在一定500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機源，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數，在β-Ga2O3襯底上合成生長GaN材料，再在該GaN材料上生長一層摻雜濃度達5*1018cm-1的N型GaN，接著分別以700-900℃和600-800℃生長層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個周期的GaN/InGaN量子阱，最后生長一層摻雜濃度達3*1017cm-1的P型GaN層的LED器件結構。并對該結構在600-800℃溫度和0.1-1小時退火時間進行退火激活。
本發明的機理和技術特點利用MOCVD生長技術在β-Ga2O3襯底上合成生長GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件結構。在MOCVD系統中對生長的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進行材料熱處理，然后或通入氨氣進行表面氮化，再在一定500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機源，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數，在β-Ga2O3襯底上合成生長GaN材料，再在該GaN材料上以500-1050℃通過摻入Si生長N型層GaN以及分別以700-900℃和600-800℃生長層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個周期的GaN/InGaN量子阱結構，最后通過Mg摻雜生長一層P型GaN的LED器件結構。N型層GaN濃度為5*1018cm-1，P型層GaN濃度為3*1017cm-1。并對該結構在600-800℃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。
其中，β-Ga2O3襯底的采用，β-Ga2O3襯底上生長GaN緩沖層，N型層GaN，5-10個周期的GaN/InGaN量子阱結構和P型層GaN，以及β-Ga2O3襯底生長前的熱退火工藝，熱退火溫度，生長材料的溫度控制以及P型層GaN的退火激活工藝是本發明的關鍵。
本發明在β-Ga2O3襯底上生長GaN及InGaN/GaN量子阱LED器件結構的優化生長條件范圍見表1所示。
表1.在β-Ga2O3襯底上生長GaN的優化生長條件范圍
圖1為本發明的InGaN/GaN量子阱LED器件結構圖。在該結構中，以β-Ga2O3作為襯底材料，在該襯底上生長出GaN作為為緩沖層，再在該緩沖層上生長N型層GaN以及InGaN/GaN多量子阱，最后生長一層P型GaN的LED器件結構。其中InGaN/GaN多量子阱結構為5-10個周期的GaN和15-20nmm的InGaN多量子阱。從而形成InGaN/GaN量子阱LED器件結構。
圖2為本發明在β-Ga2O3襯底上生長的GaN的XRD掃描圖。從圖中可以看出，，XRD掃描圖中出現多個β-Ga2O3襯底峰。而在其上生長的(0002)GaN峰位在34.64度。XRD分析證明GaN薄膜厚度和質量良好。
圖3為本發明在β-Ga2O3襯底上生長的以(0002)GaN為緩沖層的InGaN/GaN量子阱LED器件結構LED管芯發光照片，電致發光譜和光致發光譜。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器件發光為藍綠光(圖3的左上角附圖)。其結構LED管芯電致發光譜(EL)在537nm波段，光致發光譜(PL)在529nm波段。PL采用He-Cd激光器做激發源。EL加在樣品上的電壓為20V，電流為0.7mA。
具體實施例方式
本發明利用MOCVD生長技術在β-Ga2O3襯底上合成生長GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件結構。具體包括以下幾步1、在MOCVD系統中對生長的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進行材料熱處理，或然后通入氨氣進行表面氮化。另一實施例是，在上述熱處理后然后通入氨氣進行表面氮化，時間為10、30、60分鐘亦無顯著差別。
2、經熱處理后(或經表面氮化后)，再在500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機鎵源和銦源，其中鎵源和銦源流量保持不變，通過控制載氣，鎵源氣體流量等參數，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數，在β-Ga2O3襯底上合成生長GaN緩沖層材料。
3、再在該GaN材料上以500-1050℃摻入Si生長N型層GaN(1-1.5μm)，接著分別以700-900℃和600-800℃生長層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個周期的GaN/InGaN量子阱結構，最后通過Mg摻雜生長一層P型GaN層(200-500nm)的LED器件結構。
4、有機鎵源為三甲基鎵流為1-50sccm。有機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，反應區域溫度也可以是500-1050℃，生長時間為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襯底生長前的熱退火工藝，熱退火溫度控制，生長材料的溫度控制以及生長濃度為5*1018cm-1N型層GaN，濃度為3*1017cm-1P型層GaN，生長后P型層退火激活溫度和時間和鋁酸鋰襯底上生長5-10個周期的GaN/InGaN量子阱LED器件結構和氮氣作為載氣是本發明的關鍵。
所述有機鎵源為三甲基鎵流為1-50sccm，有機銦源為三甲基銦流為50-200sccm。根據本裝置的特點，采用不同流量的三甲基鎵(銦)無顯著區別，生長速度有所不同。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，生長溫度為500-1050℃。
載帶氣體的進一步控制是，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，反應區域溫度也可以是500-1050℃，生長時間為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，參見附表。氣體流量控制通過質量流量計來控制。
本發明通入載氣H2、或N2，也可以是H2、與N2混合氣體；氨氣以及金屬有機鎵源和金屬有機銦源，提供氮源，鎵源和銦源；通過控制載氣，鎵源和銦源氣體流量等參數，以及生長時間來控制薄膜的厚度。
N型層和P型層GaN的制備利用常規的摻硅或摻鎂的方法來完成。圖1中Ni/AuTi/Al是金屬電極。
權利要求
1.在β-Ga2O3襯底材料上生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構的方法，其特征是在MOCVD系統中對生長的β-Ga2O3襯底在500-1050℃溫度下進行材料熱處理，或然后通入氨氣進行表面氮化；在500-1050℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機源，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數，在β-Ga2O3襯底上合成生長低溫GaN緩沖層材料；用MOCVD方法在β-Ga2O3襯底上生長GaN緩沖層材料后在500-1050℃溫度下摻入Si生長N型GaN；用MOCVD方法在β-Ga2O3襯底上生長N型GaN層后接著生長分別以700-900℃和600-800℃生長層厚分別為15-20nm和5-15nm的5-10個周期的GaN/InGaN多量子阱結構；最后通過Mg摻雜生長一層摻雜濃度達3*1017cm-1的P型GaN層的LED器件結構；并對該結構在600-800℃溫度和0.1-1小時退火時間進行退火激活。
2.由權利要求1所述的生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構的方法，其特征是有機鎵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℃，時間為10-60分鐘；NH3氣500-700sccm，V/III比為500-3000，指N與Ga之摩爾比。
3.由權利要求1或2所述的生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構的方法，其特征是在MOCVD系統中，在β-Ga2O3襯底上，在500-1050℃溫度范圍合成生長濃度小于1-10*1016cm-1GaN材料。
4.由權利要求1或2所述的生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構的方法，其特征是在該GaN材料上生長一層摻雜濃度為1-10*1018cm-1N型層GaN。
5.由權利要求1或2所述的生長InGaN/GaN量子阱LED器件結構的方法，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H01S5/00GK1758456SQ200510094880
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月18日 優先權日2005年10月18日
發明者謝自力, 張 榮, 韓平, 劉成祥, 周圣明, 修向前, 劉斌, 李亮, 鄭有炓, 顧書林, 江若璉, 施毅, 朱順明, 胡立群 申請人:南京大學