专利名称：紫外短波长区域发光的InAIGaN及其制备方法和使用它的紫外发光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及紫外短波长区域发光的InAlGaN(氮化铟铝镓)，和制备它的方法，以及使用这种紫外短波长区域发光的InAlGaN的紫外发光装置，更具体地说，涉及到紫外短波长区域室温高效发光的InAlGaN，以及制备它的方法，和采用这种紫外短波长区域室温高效发光的InAlGaN的紫外发光装置。
氮化物半导体例如GaN(氮化镓)、InGaN(氮化铟镓)和AlGaN(氮化铝镓)，迄今已经被用作紫外发光装置，用于发射在紫外短波长区域具有360nm或者更短波长的光线。然而，由这些氮化物半导体室温下在具有360nm或者更短波长的紫外短波长区域，并没有获得高效的光线发射。于是，可以推断，通过利用这些如上描述的氮化物半导体，不能够实现可以在紫外短波长区域发光的紫外发光装置。
即，对于发光二极管作为发光装置，其中在短波长使用氮化物半导体，仅仅能实现达370nm的波长，对于激光二极管直到现在仅仅能实现达390nm的波长。
因而，对于室温下于360nm波长或更短的紫外短波长区域显示高发光效率的InAlGaN，以及制备它，和使用它的紫外发光装置的方法，具有强烈的发展需要，该装置中采用在紫外短波长区域发光的InAlGaN。
由于如上描述的迄今已有的强烈需求的要求实施本发明，本发明的一项目的是提供室温下于360nm波长或更短的紫外短波长区域显示高发光效率的InAlGaN，以及制备它的方法，和采用室温下于360nm或更短波长的紫外短波长区域高效发光的InAlGaN的紫外发光装置。
为了达到上面描述的目的，按照本发明的InAlGaN包括2％至20％比例的铟组分、10％至90％比例的铝组分，并且In、Al和Ga组分比例总和为100％。
此外，在上述InAlGaN中，In组分的比例可以是6％或者更多。
此外，按照本发明制备InAlGaN的方法包括InAlGaN在830℃至950℃的生长温度下依照有机金属气相外延进行晶体生长，其中氨、三甲基镓、三甲基铟加合物和三甲基铝用作原料气体。
此外，在上述的按照本发明制备InAlGaN的方法中，氨的流速为2L/min，三甲基镓的流速为2μmol/min至5μmol/min，三甲基铟加合物的流速为为5μmol/min至60μmol/min，三甲基铝的流速是0.5μmol/min至10μmol/min。
此外，按照本发明，采用InAlGaN的紫外发光装置包括第一InAlGaN层，其中In组分比例为2％至20％、Al组分比例为10％至90％，In、Al和Ga组分比例总和为100％，第二InAlGaN层的组分的比例不同于第一层，其中In组分比例为2％至20％、Al组分比例为10％至90％，In、Al和Ga组分比例总和为100％；并且InAlGaN包括通过多层交替叠层第一InAlGaN层和第二InAlGaN层形成的量子阱结构。
此外，在上述按照本发明的采用InAlGaN的紫外发光装置中，第一InAlGaN层中的In组分比例是6％或者更多。
以下给出的详细介绍和仅通过解释给出的附图，会使本发明更易于完全理解，但并不是由此限制本发明，其中
图1是说明图，说明按照本发明的晶体生长装置的概念构造，它用于在诸如作为晶体薄膜的半导体晶片的基底上，依照有机金属气相外延，生产在紫外短波长区域发光的InAlGaN；图2是生长温度和气流的相互关系图；图3是显示在氮化物半导体的气相淀积中生长温度范围的说明图；图4是显示Al导入InGaN效果的图解表示；图5是显示In导入AlGaN效果的图解表示；图6是显示由InAlGaN量子阱紫外发光的图解表示；以及图7是介绍通过经AlGaN缓冲层在SiC上叠层InAlGaN形成量子阱结构的说明图。
在下文中，将详细介绍按照本发明的在紫外短波长区域发光的InAlGaN，以及制备它的方法，和采用的在紫外短波长区域发光的InAlGaN的紫外发光装置的实施方案的一个实例。
按照本发明的在紫外短波长区域发光的InAlGaN(下文中任意地称作“紫外发光的InAlGaN”)，可以通过晶体生长装置，依照例如有机金属气相外延，在作为晶体薄膜的半导体晶片的基底上制备。图1介绍了这种晶体生长装置的例子。
即，图1是介绍制备紫外发光的InAlGaN的晶体生长装置的概念构造的说明图，其中晶体生长装置10具有晶体生长反应器14，反应器14周围环绕着RF加热线圈12，其中半导体晶片16作为生长紫外发光的InAlGaN的基底置于基座18的上表面，这种基座功能是加热半导体晶片16。
此外，RF电源20与RF加热线圈12相连，另外，由微机组成的RF控制器22与RF电源相连。
RF控制器22控制RF电源20的输出。即，从RF电源20供给至RF加热线圈12的电能经RF控制器22控制，基座18应RF电能电源20供给的电能由RF加热线圈12加热。
更特别地，在晶体生长装置10中，通过由RF电源20给RF加热线圈12供电引起的涡流感应加热基座18。
基座18由例如碳和类似物制成。
另一方面，晶体生长反应器14上设一个进气孔14a以引入多种气体，例如在半导体晶片16上形成的紫外发光的InAlGaN材料的原料气体和载气，以及一个排出各种业已引入晶体生长反应器14的气体的排气孔14b。
在上述的构造中，在晶体生长反应器14中制备紫外发光的InAlGaN晶体薄膜必需的原料的原料气体，它业已降压至76乇，与载气一起通过进气孔14a，以便在置于基座18上的半导体晶片16上制备紫外发光的InAlGaN晶体薄膜。
在这种情况下，基座18应RF电源20供应的电能，已由RF加热线圈12加热，RF电源20由基于热电偶(未显示)监控的RF控制器22控制，热电偶被嵌入基座18，使半导体晶片16通过热传导受热，热传导源于在依照晶体生长，适于形成紫外发光的InAlGaN晶体薄膜的生长温度下被加热的基座18。
因而，引入晶体生长反应器14的原料气通过加热分解和反应，从而依照晶体生长，在半导体晶片16中形成紫外发光的InAlGaN晶体薄膜。
在这种情况下，制备紫外发光的InAlGaN晶体薄膜必需的原料气体是氨、三甲基镓、三甲基铟加合物和三甲基铝。此外，载气是氢气和氮气。
这些原料气的流速分别是，例如，氨为2L/min、三甲基镓为2μmol/min至5μmol/min，三甲基铟加合物为5μmol/min至60μmol/min，三甲基铝的流速是0.5μmol/min至10μmol/min。
另一方面，在氢气和氮气的情况下，载气的流速分别是100cc/min和2L/min。
由于紫外发光的InAlGaN晶体生长的生长温度是830℃至950℃，因此在这里放置830℃至950℃温度下受热的导体晶片16。
此外，紫外发光的InAlGaN晶体薄膜生长速率设置为120nm/小时。
图2是生长温度和气流的说明图。原料气体在图2所示的时间和温度被输入晶体生长反应器14。
其间，InGaN晶体生长的生长温度在图3所示的650℃至750℃范围之内，同时AlGaN晶体生长的生长温度在图2和3所示的1000℃至1200℃范围内。在这方面，InGaN显著不同于AlGaN的在于它们的晶体生长的生长温度。因此，迄今认为制备高质量的InAlGaN晶体是不可能的。
然而，按照本发明人的实验，实验结果显示高质量InAlGaN晶体生长在830℃至950℃的温度进行，该温度是设定在InGaN晶体生长的生长温度和AlGaN晶体生长的生长温度之间的中间温度，按照这样的设定，如图2和3所示，可获得紫外发光的InAlGaN。
在由此所获得的紫外发光InAlGaN的组分比例中，In为2％至20％，Al为10％至90％(注意组分中In、Al和Ga的比例总和是100％)。在这种情况下，6％或更高比率的In的组分是优选的。
在上述紫外发光的InAlGaN气相淀积中，参考图4至6，通过下文描述的导入Al，诱导增加晶体中In的含量。
由于将几个％的In导入AlGaN，使紫外发光强度显著提高。
即，室温下紫外发光的InAlGaN可以在280nm至360nm波长的深紫外区域的短波长区域高效发光。于是，采用如上所述的紫外发光的InAlGaN时，可以制备在280nm至360nm波长的波长区域发光的紫外发光装置。
以下，通过参考图4至图6描述紫外发光的InAlGaN在室温下的实验结果，其中这种紫外发光的InAlGaN是在830℃的生长温度和以120nm/小时的生长速率制备的，在这种情况下，相对于原料气体，氨的流速为2L/min、三甲基镓为3μmol/min，三甲基铟加合物为60μmol/min，三甲基铝为0.5μmol/min，此外，相对于载气，氢气的流速是100cc/min，氮气的流速是2L/min。
图4显示Al导入InGaN的效果。如图4所示，由于Al被导入到InGaN，In被引入了晶体。在这种关系中，当In和Al在InGaN组分比率中分别占6％和16％时，可以获得最强的光发射。
此外，图5显示In导入AlGaN的效果。如图5所示，随着导入AlGaN的In的比率的增加，发光强度显著增强。
此外，图6显示在这种情况的紫外发光的结果通过AlGaB缓冲层在SiC上叠层具有不同比率组分的InAlGaN层，以便制备图7所示的量子阱结构，并且以257nm波长的激光束照射。
如上所述，由于具有量子阱结构的InAlGaN发射紫外线，可以构造紫外发光装置，例如通过把具有各不同比例的组分的InAlGaN层相互叠层，而制备具有量子阱结构的发光二极管和激光二极管。
更特别的，由这样一种方法可以构造量子阱结构，即通过AlGaN缓冲层在SiC上形成的InAlGaN层以p-型或n-型的形式涂上了，并且将它们相互叠层以制备如图7所示的量子阱结构，其后给其提供电极。
如上所述构成了本发明，以致它显示这样一种极佳的优点，即提供室温下于360nm波长或更短的紫外短波长区域高效发光的InAlGaN，以及制备它的方法，和采用这种在紫外短波长区域发光的InAlGaN的紫外发光装置。
本领域的普通技术人员可以理解，本发明在不违背它的精神或者基本特征的情况下，可以以其它的特定的形式实施。
因此认为，在所有方面，这里公开的实施方案都是说明性的，并非限制性的。本发明的范围通过附加的权利要求而不是前面的描述指明，并且一切在其等价的意思和范围内得出的变化都包含在它里面。
2000年2月23日提交的日本专利申请No.2000-45318完全公开的文本，包括说明书、权利要求书、附图和摘要，经参考完整的附在这里。
权利要求
1.紫外短波长区域发光的InAlGaN，包含2％至20％比例的In组分、10％至90％比例的Al组分，并且In、Al和Ga组分的比例总和为100％。
2.如权利要求1的紫外短波长区域发光的InAlGaN，其中In组分的比例是6％或者更多。
3.一种制备紫外短波长区域发光的InAlGaN的方法，包含InAlGaN在830℃至950℃的生长温度下按照有机金属气相外延进行晶体生长，其中氨、三甲基镓、三甲基铟加合物和三甲基铝用作原料气体。
4.如权利要求3的制备紫外短波长区域发光的InAlGaN的方法，其中氨的流速为2L/min，三甲基镓的流速为2μmol/min至5μmol/min，三甲基铟加合物的流速为5μmol/min至60μmol/min，三甲基铝的流速是0.5μmol/min至10μmol/min。
5.一种采用紫外短波长区域发光的InAlGaN的紫外发光装置，包含；第一InAlGaN层，其中In组分比例为2％至20％、Al组分比例为10％至90％，In、Al和Ga组分比例总和为100％；组分的比例不同于第一层的第二InAlGaN层，其中In组分比例为2％至20％、Al组分比例为10％至90％，In、Al和Ga组分比例总和为100％；和包括通过交替叠层多层的第一InAlGaN层和第二InAlGaN层制备的量子阱结构。
6.如权利要求5的采用紫外短波长区域发光的InAlGaN的紫外发光装置，其中在所述的第一InAlGaN层中In组分的比例是6％或者更多。
全文摘要
为了发射在紫外短波长区域具有360nm或者更短波长的光线，配置这样一种InAlGaN，其中In组分比例为2％至20％、Al组分比例为10％至90％，并且In、Al和Ga组分的比例总和为100％。
文档编号C01G15/00GK1660962SQ200510052588
公开日2005年8月31日 申请日期2001年2月23日 优先权日2000年2月23日
发明者平山秀树, 青柳克信 申请人:理化学研究所