一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法
【专利摘要】一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，包括以下步骤：(1)在蓝宝石衬底上依次生长GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层；(2)在GaN高温缓冲层上生长GaN层；(3)通入Al和Ga的反应源，在GaN层上生长AlGaN阻挡层；(4)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上生长AlGaN补偿层；(5)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上生长AlGaN层；(6)重复步骤(2)到步骤(5)，循环生长，直到完成GaN和AlGaN循环结构周期。该方法通过在异质界面处插入超薄的阻挡－补偿对层，实现了有效阻挡界面元素互扩散现象，获得了高对称的超陡峭循环结构。
【专利说明】
一种以GaN和Al GaN循环结构作为Buffer层的生长方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种利用GaN和AlGaN循环结构生长优化Buf f er (缓冲层)的方法，属于光电子的技术领域。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，各种变频电路，斩波电路的应用不断扩大，在这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用自关断能力的新型电力电子器件，都需要一个与之并联的快速恢复二极管。尤其是以IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGCT(集成门极换流晶闸管，Integrated GateCommutated Thyristors)为代表的电力电子器件的广泛应用，对快恢复二极管又提出新的要求，即具有短的反向恢复时间trr的同时还要具有软恢复特性。
[0003]需要注意的是，快恢复二极管并非普通二极管加少子寿命控制技术那么简单，与普通二极管的阴极N+浅结结构不同，快恢复二极管由于恢复速度快通常需要在背面增加buffer层(缓冲层)来提高软度。
[0004]目前在二极管阳极侧具有较多的软度改善措施:如EMC0N、局域寿命控制等等，并已经得到实际应用。阴极侧目前已经实用的软度改善措施即增加buffer层，一般常用的结构有三种，一是外延双基区，通过两次以上外延来实现，二是深扩散双基区，通过一次磷的深扩散形成，三是两次扩散双基区，通过两次磷的深扩散来形成。外延形成buffer层多用于对二极管压降要求较高，频率较低的应用，其软度通常较扩散形成buffer层的二极管要差，扩散形成的buffer层通常应用于对二极管软度要求较高，频率较高，对压降不敏感的应用。
[0005]对于3300V以上器件，上述实现方式均存在一些不足尽如人意的方面:对于外延方式，3300V器件的N-区厚度通常要达到300um以上，这样的厚度通过外延来形成是相当困难的，因此目前对于3300V以上器件均用单晶片作为材料片，也就不存在双外延形成buff er层的方式。对于扩散方式，受限于浓度梯度的存在，buffer层形成后，为了保证形成良好的欧姆接触及背面buffer层效果，背面不可减薄过多。
[0006]由于ΙΠ族氮化物基光电器件普遍采用的蓝宝石衬底与上面的(Al)GaN外延层，存在较大的晶格和热失配，同时，制备高晶体质量的高Al组分AlGaN外延层还存在较大的困难，这些方面的问题严重制约了(Al)GaN基异质结构质量和性能的进一步快速发展。对于循环结构结构而言，其异质界面的质量和陡峭程度，在整个结构中占着最为至关重要的地位，界面质量的好坏直接决定该循环结构结构的光电性能。比如，陡峭的界面就可以获得更强的量子限制效应，光电转换效率也就可以更好的提升，这就将大大地提升相关器件的整体性能。
[0007]目前在现有技术中，在异质界面生长过程中采用中断吹氨方法可以在一定程度上改善界面的质量，提高界面平整度，从而提高循环结构界面的质量。经过深入表征实验表明，虽然采用该方法在一定程度上可以改善AlGaN/GaN界面(S卩GaN上界面)的平整性，但对于GaN/AlGaN(S卩GaN下界面)界面却有陡峭度的不良影响，最终会导致上下界面的陡峭程度不对称现象，这一问题说明在高温生长条件下，Al元素在界面处的扩散现象是十分可观而难以消弭的，如何阻挡该扩散及减小扩散深度成为该方法的难题。
【发明内容】
[0008]针对现有在异质界面生长过程中采用中断吹氨以提高循环结构界面质量的方法存在的不足，本发明提供一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法。该方法采用GaN和AlGaN循环结构代替传统的Buffer生长，是在传统的蓝绿光外延的生长方法的基础上用GaN和AlGaN循环结构交替生长Buf fer层，能够有效的改变MQW的晶体质量，释放应力，能够减少LED结构生长时间，改善LED的电学性质，提高GaN基LED器件的发光效率。
[0009 ]本发明的以GaN和AlGaN循环结构作为Buf f er层的生长方法，包括以下步骤:
[0010](I)将蓝宝石衬底置于反应室内，在出气氛下清洗净化，通入Ga反应源和NH3，在蓝宝石衬底上依次生长GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层；
[0011 ] (2)在GaN高温缓冲层上生长GaN层，生长完后，关闭Ga反应源，对GaN层的表面在NH3气氛下进行吹扫处理；
[0012](3)通入AI和Ga的反应源，在GaN层上生长AI GaN阻挡层，AI GaN阻挡层的AI组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN阻挡层在NH3气氛下进行吹扫处理；
[0013]采用超薄AlGaN阻挡层的原因如下:如果是在没有这一超薄阻挡层的情况下，由于下面的GaN层与上面AlGaN层的Al组分存在大的浓度梯度，因此Al元素将会难以避免得从上面AlGaN层扩散到下面的GaN层。本发明提出的较低Al组分的超薄AlGaN阻挡层则可以在很大程度上阻挡Al元素的扩散，减小扩散深度，使界面的陡峭度得以提高。
[0014](4)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上生长AlGaN补偿层，AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN补偿层在NH3气氛下进行吹扫处理；
[0015]采用补偿层的理由如下:由于AlGaN阻挡层的Al组分低于所设计的步骤(5)中AlGaN层中的Al组分，这将影响AlGaN层的组分均匀性，从而引入新的不平整，因此本发明用补偿法在其后又生长了较高Al组分的超薄AlGaN补偿层，利用其扩散作用，拉高超薄阻挡层的组分，使平均组分稳定在AlGaN层设计组分，这样通过阻挡Al元素向GaN层的扩散同时又保证了AlGaN层的组分均匀性最终达到提高GaN上界面陡峭度的目的。通过超薄阻挡一补偿对层在界面处的插入，可有效阻挡高温下高Al组分的界面扩散作用，使得陡峭度得到有效的提升。
[0016](5)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上生长AlGaN层，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN层在NH3气氛下进行吹扫处理；
[0017](6)重复步骤(2)到步骤(5)，循环生长，直到完成GaN和AlGaN循环结构周期。
[0018]利用XRD测试手段对采用和未采用超薄阻挡补偿插层方法生长的循环结构进行对比评价。
[0019]所述步骤(I)中在H2气氛下900?1100°C清洗净化5?20分钟;Ga的反应源是三钾基镓或者是三乙基镓;生长GaN低温缓冲层的温度为500?600°C，生长GaN高温缓冲层的温度为900?1100°C;GaN低温缓冲层的厚度为10?50nm，GaN高温缓冲层的厚度为I?3μπι。
[0020]所述步骤(2)中生长GaN层的温度为1000?1100 °C;GaN层的厚度为2?5nm;吹扫处理的时间为I?5秒。
[0021]所述步骤(3)中生长AlGaN阻挡层的温度为1000?1200°C;AlGaN阻挡层的厚度为0.2?0.5nm; Al和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝;AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分10?20%，在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为I?2秒。
[0022]所述步骤(4)中AlGaN补偿层的生长温度为1000?1200 °C;A1和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝;AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分5%?15% ;AlGaN补偿层厚度为0.2?0.5nm，在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为I?2秒。
[0023]所述步骤(5)中Al和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝;生长温度为1000?1200 °C;AlGaN层厚度为2?5nm;在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为5?10秒。
[0024]所述步骤(6)中GaN和AlGaN循环结构的周期数为10?50。
[0025]所述步骤(6)中GaN和AlGaN循环结构上覆盖GaN盖层，厚度为5?10nm。如果GaN和AlGaN循环结构的表面还设置有其它导电层，则不需要覆盖GaN盖层。
[0026]本发明可以获得超陡峭和对称界面，主要利用界面引入超薄阻挡一补偿插层方法，在MOCVD方法生长的GaN/AlGaN循环的界面进行特殊处理，有效阻挡高温下界面金属元素扩散效应，以获得超陡峭、对称界面，使量子阱更为接近方势阱，增强量子限制效应。它通过调控外延生长参数特别是组分参数以实现超薄阻挡一补偿对层的插入方法，在MOCVD生长同时即可完成界面超陡处理，方法简单、灵活、可操作性强。而且更为重要的是它适用于各类AlGaN基循环结构、量子阱结构，运用范围广，实用性高。
[0027]本发明针对GaN/AlGaN循环结构结构不同界面提供不同生长中断处理改善异质界面的质量，通过在异质界面处插入超薄的阻挡一补偿对层，实现有效阻挡界面元素互扩散现象，获得高对称的超陡峭循环结构。
【具体实施方式】
[0028]实施例1
[0029](I)将蓝宝石衬底层置于反应室后将温度升至1100°C，在出气氛环境下高温清洗5分钟，去除表面的沾污。然后将温度降至500?600°C，通入三钾基镓和NH3,生长30nm厚的GaN低温缓冲层，接着再将温度升高至900?1100°C，生长厚为2μπι的GaN高温缓冲层。
[0030](2)在1000?1100°C温度下，在GaN高温缓冲层上生长GaN和AlGaN循环结构中的GaN层，厚度为5nm，生长完后对GaN层在Mfe气氛下进行的吹扫处理时间为5秒。
[0031](3)通入三钾基铝源，在1100°C温度下生长AlGaN阻挡层，厚为0.5nm。生长完后，关闭三钾基铝源和三钾基镓源，AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分20 % ο对AlGaN阻挡层在NH3气氛下进行吹扫处理，时间为2秒。
[0032](4)通入三钾基铝源和三钾基镓源，生长温度为1000°C，厚度为0.5nm;生长完后，关闭三钾基铝源和三钾基镓源，AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分15%,对AlGaN补偿层在NH3气氛下进行吹扫处理，时间为2秒。
[0033](5)通入三钾基铝源和三钾基镓源，在AlGaN补偿层上生长GaN/AlGaN循环结构中的AlGaN层，生长温度为1100 °C，厚为2nm，生长完后，关闭三钾基铝源和三钾基镓源，对AlGaN层在NH3气氛下进行10秒的吹扫处理。
[0034](6)重复上述步骤⑵到(5)，直到完成10个周期的GaN和AlGaN循环结构的生长。
[0035](7)通入三钾基铝源，在循环结构的表面覆盖上厚度为5?1nm的GaN盖层。以保护循环结构结构，使界面处理的效果得以保持。
[0036]利用XRD测试手段对采用和未采用超薄阻挡补偿插层方法生长的两种超晶格进行晶体界面质量的对比评价。
[0037]用所发明方法制作的GaN/AlGaN循环结构的卫星峰不仅在较高级峰宽较之未采用该方法的循环结构样品得到了有效的降低。这有力地说明了该方法有效地阻挡了界面元素互扩散现象，减少了扩散深度，从而使得GaN/AlGaN循环结构的界面陡峭度得到了明显的改口 ο
[0038]实施例2
[0039]本实施例中的步骤与实施例1一致，但在各步骤中的参数有所不同:
[0040]步骤(I)中的H2气氛下1000°C清洗净化12分钟，GaN低温缓冲层的生长厚度为I Onm; GaN高温缓冲层的生长厚度为3μπι ο
[0041 ] 步骤(2)中GaN层的厚度为2nm;生长GaN层后吹扫处理时间为I秒。
[0042]步骤(3)中的生长AlGaN阻挡层的生长温度为1200°C;AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分15% ;AlGaN阻挡层的厚度为0.2nm;生长完后的吹扫时间为1.5秒。
[0043]步骤(4)中生长温度为1200°C，AlGaN补偿层厚度为0.35nm，AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分5%，生长完后的吹扫时间为I秒。
[0044]步骤(5)中AlGaN层的生长温度为1200°C，生长温度为1000°C，A1组分为60%，厚度为5nm，进行5秒的吹扫处理。
[0045]步骤(6)中的周期数为50个。
[0046]实施例3
[0047]本实施例中的步骤与实施例1一致，但在各步骤中的参数有所不同:
[0048]步骤(I)中在H2气氛下900°C清洗净化20分钟;通入的Ga源为三乙基镓;GaN低温缓冲层的厚度为50nm，GaN高温缓冲层的生长厚度为Ιμπι。
[0049]步骤⑵中GaN层的厚度为3nm;生长GaN层后吹扫处理时间为3秒。
[0050]步骤(3)中的生长AlGaN阻挡层的生长温度为1000°C ;AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分10 % ; AlGaN阻挡层的厚度为0.35nm;生长完后的吹扫时间为I秒。
[0051 ] 步骤(4)中通入的反应源为三乙基镓和三钾基铝；生长温度为1100°C，AlGaN补偿层厚度为0.S13AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分10%。
[0052]步骤(5)中通入的反应源为三乙基镓和三钾基铝；生长温度为1200°C，AlGaN层的Al组分为45 %，厚度为3.5nm，进行8秒的吹扫处理。
[0053]步骤(6)中的周期数为30个。
【主权项】
1.一种以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，包括以下步骤: (1)将蓝宝石衬底置于反应室内，在出气氛下清洗净化，通入Ga反应源和NH3，在蓝宝石衬底上依次生长GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层； (2)在GaN高温缓冲层上生长GaN层，生长完后，关闭Ga反应源，对GaN层的表面在NH3气氛下进行吹扫处理； (3)通入Al和Ga的反应源，在GaN层上生长AlGaN阻挡层，AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN阻挡层在NH3气氛下进行吹扫处理； (4)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上生长AlGaN补偿层，AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN补偿层在NH3气氛下进行吹扫处理； (5)通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上生长AlGaN层，生长完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN层在NH3气氛下进行吹扫处理； (6)重复步骤(2)到步骤(5)，循环生长，直到完成GaN和AlGaN循环结构周期。2.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(I)中在H2气氛下900?1100°C清洗净化5?20分钟;Ga的反应源是三钾基镓或者是三乙基镓;生长GaN低温缓冲层的温度为500?600°C，生长GaN高温缓冲层的温度为900?1100°C;GaN低温缓冲层的厚度为10?50nm，GaN高温缓冲层的厚度为I?3μπι。3.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(2)中生长GaN层的温度为1000?1100 °C;GaN层的厚度为2?5nm;吹扫处理的时间为I?5秒。4.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(3)中生长AlGaN阻挡层的温度为1000?1200°C;AlGaN阻挡层的厚度为0.2?0.5nm; Al和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝;AlGaN阻挡层的Al组分小于步骤(5)中AlGaN层的设计组分10?20%，在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为I?2秒。5.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤⑷中AlGaN补偿层的生长温度为1000?1200 °C;A1和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝;AlGaN补偿层中Al组分高于步骤(5)中AlGaN层的设计组分5 %?15 % ; AlGaN补偿层厚度为0.2?0.5nm，在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为I?2秒。6.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(5)中Al和Ga的反应源是三钾基镓和三钾基铝或者是三乙基镓和三钾基铝；生长温度为1000?1200°C;AlGaN层厚度为2?5nm;在NH3气氛下进行吹扫处理的时间为5?10秒。7.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(6)中GaN和AlGaN循环结构的周期数为1?50。8.根据权利要求1所述的以GaN和AlGaN循环结构作为Buffer层的生长方法，其特征是，所述步骤(6)中GaN和AlGaN循环结构上覆盖GaN盖层，厚度为5?10nm。
【文档编号】H01L33/00GK105895749SQ201610272726
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】栾政, 李毓峰, 王成新
【申请人】山东浪潮华光光电子股份有限公司