专利名称：在β三氧化二镓衬底上生长InGaN/GaN量子阱L ED器件结构的方法
技术领域：
本发明涉及在一种新型衬底β-Ga2O3材料上用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术生长GaN/InGaN量子阱LED的方法，尤其是利用MOCVD技术在β-Ga2O3衬底材料上生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构工艺技术。
背景技术：
β-Ga2O3是一种透明导体，其透光范围可以从可见光到紫外光的范围，并且其本征特性具有n型导电性。其禁带宽度为Eg＝4.8eV(260nm)。由于它的这种重要特性使得它在未来短波长光电子器件领域具有重要的应用前景。
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)衬底由于其硬度大，以及天然的绝缘特性，使得在LED后道工艺变得比较复杂。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。β-Ga2O3是一种透明导体，其透光范围可以从可见光到紫外光的范围，并且其本征特性具有n型导电性。其禁带宽度为Eg＝4.8eV(260nm)。由于它的这种重要特性使得它可能成为一种很有发展前景的生长GaN的衬底材料。用β-Ga2O3做衬底材料利用MOCVD生长技术合成生长InGaN/GaN量子阱材料及其LED尚未见报道。
本申请人发明申请的是利用MOCVD生长技术在一种新型衬底β-Ga2O3材料上生长GaN/InGaN量子阱LED的方法，尤其是利用MOCVD技术在β-Ga2O3衬底材料上生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构工艺技术。申请人首次利用MOCVD生长技术在β-Ga2O3衬底材料上合成生长GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件结构。该申请在β-Ga2O3衬底材料上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构，在技术上属于首次。
发明内容
本发明目的是在β-Ga2O3衬底上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构。
本发明的技术解决方案在β-Ga2O3衬底材料上生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构的方法首先，在MOCVD系统中对生长的β-Ga2O3衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，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β-Ga2O3衬底上合成生长GaN材料，再在该GaN材料上生长一层掺杂浓度达5*1018cm-1的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GaN/InGaN量子阱，最后生长一层掺杂浓度达3*1017cm-1的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利用MOCVD生长技术在β-Ga2O3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β-Ga2O3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β-Ga2O3衬底上合成生长GaN材料，再在该GaN材料上以500-1050℃通过掺入Si生长N型层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GaN/InGaN量子阱结构，最后通过Mg掺杂生长一层P型GaN的LED器件结构。N型层GaN浓度为5*1018cm-1，P型层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。从而形成InGaN/GaN量子阱LED器件结构。
其中，β-Ga2O3衬底的采用，β-Ga2O3衬底上生长GaN缓冲层，N型层GaN，5-10个周期的GaN/InGaN量子阱结构和P型层GaN，以及β-Ga2O3衬底生长前的热退火工艺，热退火温度，生长材料的温度控制以及P型层GaN的退火激活工艺是本发明的关键。
本发明在β-Ga2O3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。
表1.在β-Ga2O3衬底上生长GaN的优化生长条件范围
图1为本发明的InGaN/GaN量子阱LED器件结构图。在该结构中，以β-Ga2O3作为衬底材料，在该衬底上生长出GaN作为为缓冲层，再在该缓冲层上生长N型层GaN以及InGaN/GaN多量子阱，最后生长一层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GaN和15-20nmm的InGaN多量子阱。从而形成InGaN/GaN量子阱LED器件结构。
图2为本发明在β-Ga2O3衬底上生长的GaN的XRD扫描图。从图中可以看出，，XRD扫描图中出现多个β-Ga2O3衬底峰。而在其上生长的(0002)GaN峰位在34.64度。XRD分析证明GaN薄膜厚度和质量良好。
图3为本发明在β-Ga2O3衬底上生长的以(0002)GaN为缓冲层的InGaN/GaN量子阱LED器件结构LED管芯发光照片，电致发光谱和光致发光谱。从图中可以看到我们研制的以(0002)GaN为缓冲层的InGaN/GaN子阱LED器件发光为蓝绿光(图3的左上角附图)。其结构LED管芯电致发光谱(EL)在537nm波段，光致发光谱(PL)在529nm波段。PL采用He-Cd激光器做激发源。EL加在样品上的电压为20V，电流为0.7mA。
具体实施例方式
本发明利用MOCVD生长技术在β-Ga2O3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β-Ga2O3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。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。
2、经热处理后(或经表面氮化后)，再在500-1050℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机镓源和铟源，其中镓源和铟源流量保持不变，通过控制载气，镓源气体流量等参数，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在β-Ga2O3衬底上合成生长GaN缓冲层材料。
3、再在该GaN材料上以500-1050℃掺入Si生长N型层GaN(1-1.5μm)，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GaN/InGaN量子阱结构，最后通过Mg掺杂生长一层P型GaN层(200-500nm)的LED器件结构。
4、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。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℃。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500-700sccm，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。
5、其中，β-Ga2O3衬底的采用，以及β-Ga2O3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GaN，浓度为3*1017cm-1P型层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GaN/InGaN量子阱LED器件结构和氮气作为载气是本发明的关键。
所述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。
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和金属有机铟源，提供氮源，镓源和铟源；通过控制载气，镓源和铟源气体流量等参数，以及生长时间来控制薄膜的厚度。
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。
权利要求
1.在β-Ga2O3衬底材料上生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构的方法，其特征是在MOCVD系统中对生长的β-Ga2O3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；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β-Ga2O3衬底上合成生长低温GaN缓冲层材料；用MOCVD方法在β-Ga2O3衬底上生长GaN缓冲层材料后在500-1050℃温度下掺入Si生长N型GaN；用MOCVD方法在β-Ga2O3衬底上生长N型GaN层后接着生长分别以700-900℃和600-800℃生长层厚分别为15-20nm和5-15nm的5-10个周期的GaN/InGaN多量子阱结构；最后通过Mg掺杂生长一层掺杂浓度达3*1017cm-1的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。
2.由权利要求1所述的生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构的方法，其特征是有机镓源为三甲基镓和三甲基铟，流量分别为1-50sccm和50-200sccm，生长温度500-1050℃，时间为10-60分钟；NH3气500-700sccm，V/III比为500-3000，指N与Ga之摩尔比。
3.由权利要求1或2所述的生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构的方法，其特征是在MOCVD系统中，在β-Ga2O3衬底上，在500-1050℃温度范围合成生长浓度小于1-10*1016cm-1GaN材料。
4.由权利要求1或2所述的生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构的方法，其特征是在该GaN材料上生长一层掺杂浓度为1-10*1018cm-1N型层GaN。
5.由权利要求1或2所述的生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构的方法，其特征是P型层GaN，尤其是3*1017cm-1的P型GaN。
全文摘要
在β－Ga
文档编号H01S5/00GK1758456SQ200510094880
公开日2006年4月12日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者谢自力, 张 荣, 韩平, 刘成祥, 周圣明, 修向前, 刘斌, 李亮, 郑有炓, 顾书林, 江若琏, 施毅, 朱顺明, 胡立群 申请人:南京大学