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一種鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料的mocvd外延加工方法

文檔序號:7012441閱讀:848來源:國知局
一種鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料的mocvd外延加工方法
【專利摘要】一種鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料的MOCVD外延加工方法,屬于半導體【技術(shù)領(lǐng)域】。通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD外延技術(shù),以交替匹配生長原子層級厚度的三元合金銦鎵氮(InGaN)和鋁鎵氮(AlGaN)材料的方法形成鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料。采用以上工藝制備成的AlInGaN四元合金薄膜材料達到以下參數(shù)指標:①X射線衍射譜XRD(002)對稱面的半峰高寬<240秒;②材料表面粗糙度<1nm;③與氮化鎵GaN的c面晶格常數(shù)失配度<0.5%。
【專利說明】—種鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料的MOCVD外延加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁銦鎵氮(AlInGaN)四元合金薄膜材料的外延生長工藝方法,屬于半導體【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管LED器件近年來取得了飛速的進展,已被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品和各類型指示光源。但目前LED器件的發(fā)光性能仍受到其量子阱的內(nèi)量子效率的制約,諸如材料的極化效應以及高質(zhì)量量子阱結(jié)構(gòu)的制備等。研究表明:通過將四元合金AlInGaN薄膜材料作為LED量子阱結(jié)構(gòu)的壘層材料能有效提升發(fā)光二極管光電性能。AlInGaN材料具有以下優(yōu)點:晶格常數(shù)可獨立調(diào)節(jié),實現(xiàn)晶格匹配,顯著減小極化效應;抑制能帶結(jié)構(gòu)中帶尾態(tài)的產(chǎn)生;帶隙補償值較大,能有效增強載流子限制效應,提高載流子輻射復合發(fā)光效率;可以作為有效的熱保護覆蓋層,有效減少高溫生長過程中的熱損傷并抑制非輻射復合中心的產(chǎn)生;通過應變工程設(shè)計,能夠控制阱層的晶格應變狀況,調(diào)節(jié)放大量子阱的發(fā)光范圍。
[0003]AlInGaN四元合金材料及其在量子阱結(jié)構(gòu)中的運用研究已經(jīng)取得相當?shù)倪M展,但高質(zhì)量AlInGaN四元合金材料的生長制備還比較困難,具體體現(xiàn)在:1、GaN基二元合金材料體系中各材料鍵長鍵能不同,互溶性較差,分解溫度差異巨大,以及生長過程中元素解吸附等問題導致AlInGaN材料合金組分容易偏離晶格匹配的組分值,并且隨著生長溫度的提高,AlInGaN四元合金材料無序化程加劇并誘發(fā)組分波動,金屬原子在應力場作用下發(fā)生遷移,形成隨機分布的金屬團簇,導致了相分離和旋節(jié)線分解等生長問題。2、AlInGaN四元合金材料的組分牽引效應和應變效應會隨著材料厚度增加變得顯著,導致表面形貌惡化形成六角坑缺陷。3.AlInGaN與InGaN的異質(zhì)界面質(zhì)量難以控制,組分的偏離和界面的退化都容易使設(shè)計的晶格匹配發(fā)生偏移,從而降低量子阱的內(nèi)量子效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對AlInGaN四元合金薄膜材料生長技術(shù)難題,本發(fā)明提出一種組分均勻、帶隙寬度可控、晶格匹配度高的基于MOCVD外延系統(tǒng)的AlInGaN材料的加工方法。
[0005]本發(fā)明通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD外延技術(shù),以交替匹配生長原子層級厚度的三元合金銦鎵氮(InGaN)和鋁鎵氮(AlGaN)材料的方法形成鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料。
[0006]采用以上工藝制備成的AlInGaN四元合金薄膜材料達到以下參數(shù)指標:①X射線衍射譜XRD (002)對稱面的半峰高寬〈240秒;②材料表面粗糙度〈lnm ;③與氮化鎵GaN的c面晶格常數(shù)失配度〈0.5%。
[0007]本發(fā)明更適合于提升量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)量子效率的實際需求,通過將AlInGaN作為壘層材料運用到量子阱結(jié)構(gòu)的壘層材料中,可以兼顧到降低極化效應以及抬升量子阱勢壘高度等多重工藝目的,最終達到提升LED量子阱效率50%以上。[0008]另,所述MOCVD的MO源流量滿足:TMA/TMI=4.66,以實現(xiàn)與GaN材料面內(nèi)晶格常數(shù)的高度匹配。
[0009]本發(fā)明還通過調(diào)節(jié)MO源流量改變AlGaInN帶隙寬度Eg,使Al InGaN材料帶隙寬度的可調(diào)范圍擴展到0.6eV~6.2eV。
[0010]本發(fā)明通過對MOCVD核心生長參數(shù)進行系統(tǒng)調(diào)控,達到生長高質(zhì)量AlInGaN材料目的。
[0011]本發(fā)明通過交替匹配生長原子層級厚度的三元合金InGaN和AlGaN的工藝方法,對MOCVD外延制備系統(tǒng)三五族III /V元素流量比以及生長速率進行整體調(diào)控,提升AlInGaN材料表面金屬原子的遷移能力和金屬元素摻入的效率,實現(xiàn)材料表面平整,金屬元素分布均勻,達到與GaN晶格常數(shù)高度匹配。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為四元合金AlInGaN與GaN材料晶格匹配及帶隙寬度圖。
[0013]圖2為以本發(fā)明工藝形成的四元合金AlInGaN薄膜材料生長示意圖。
[0014]圖3為傳統(tǒng)的一次性四元合金AlInGaN薄膜材料生長后形成的薄膜材料生長示意圖。
【具體實施方式】
[0015]生產(chǎn)設(shè)備、材料:
1、金屬有機物化學氣相淀積MOCVD衛(wèi)星盤式2英寸11片機制備系統(tǒng)。
[0016]2、金屬有機物MO生長源:`三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMlnl,ΤΜ1η2)分別作為四元合金AlInGa`N材料中鎵、鋁、銦源。
[0017]3、氨氣(NH3),作為氮源。
[0018]4、MO源進氣輔助氣路。
[0019]MO生長源和氨氣以及輔助氣路通過獨立管道和獨立系統(tǒng)輸入MOCVD反應室。
[0020]通過調(diào)節(jié)MOCVD的MO源流量、生長溫度以及壓力等工藝參數(shù),MOCVD的MO源流量設(shè)置滿足:TMA/TMI=4.66,實現(xiàn)與GaN材料面內(nèi)晶格常數(shù)的高度匹配。
[0021]如圖1所示,通過調(diào)節(jié)MO源流量改變AlGaInN帶隙寬度Eg,使AlInGaN材料帶隙寬度的可調(diào)范圍擴展到0.6e疒6.2eV。
[0022]AlxInyGa1TyN材料帶隙寬度可根據(jù)下式求解:
r ,A1 τ 廣XV Es I AlliiN ; - \-zEs | InGaN; - xzEa [ GaN; [ 1- x - ν ?
EslAlxIiivGa1 τ ,,Ν )= —~=-=-—
一 λ > ι-x->Xl'- ιζ-χζ
Eg(AlInN)= uEg(InN)—(1-U)Eg(AlN) - --(1-ιιΙιΒ(Α?1ηΝ)
Eg(InGaN)= irEg(GaN)-( l-v)E|(ItiN"t -ν( I iB(InGaN)
Eg(AlGaN)= w£g(GaN)-( l-w)E.g(AlN.j -1r( 1-\v)B(AlGaN j
1-x-T1- v-r 1-x-z
U=——V = ~^—— w =——-—— 其中X,y, 1-x-y分別是Al, In, Ga金屬元素的合金比例,B(AlInN), B (AlGaN), B(InGaN)分別表示AlInN,AlGaN,InGaN三元合金材料的能帶彎曲參數(shù)。
[0023]本實施例中具體步驟為:
步驟1:通過MOCVD制備系統(tǒng)在H2環(huán)境下高溫烘烤C面(藍寶石)襯底,采用兩步生長法制備GaN支撐層:在520°C低溫下制備GaN成核層,升溫退火后生長厚度2 μ m的GaN層。
[0024]步驟2:以氮氣(N2)作載氣,通入MO源TMI,TMG,計算設(shè)定生長時間,制備原子層級厚度的InGaN三元合金薄膜。
[0025]步驟3:切斷TMI源,通入TMA源,計算設(shè)定生長時間,制備原子層別厚度的AlGaN
三元合金薄膜。
[0026]步驟4:循環(huán)重復步驟2和3,達到AlGaInN材料具體的厚度參數(shù)要求。
[0027]本實施例采用MOCVD外延生長辦法,將三元合金交替匹配生長的AlGaInN材料運用到量子阱結(jié)構(gòu)中。根據(jù)彈性第一性原理,InGaN量子阱的阱層簡單適配于其壘層的晶格常數(shù);假設(shè)量子阱結(jié)構(gòu)是完全應變的,AlGaInN壘層的應變強度會直接影響到InGaN阱層的材料質(zhì)量和位錯密度。因此AlGaInN與GaN晶格匹配,可以獨立調(diào)節(jié)自發(fā)極化和應變,改善InGaN阱層的結(jié)晶質(zhì)量。根據(jù)量子阱發(fā)光波長的改變,相應調(diào)節(jié)AlInGaN壘層材料的帶隙寬度,提高對注入載流子的限制能力,防止電子溢流現(xiàn)象。
[0028]從圖2可見,采用本發(fā)明工藝形成的四元合金AlInGaN薄膜材料中InGaN三元合金和AlGaN三元合金的排列具有極好的規(guī)律性。
[0029]從圖3可見,采用傳統(tǒng)的四元合金一次生長后形成的薄膜材料中合金元素分布雜舌L。
[0030]可見,本發(fā)明可以取代傳統(tǒng)的合金MO源共摻的辦法,能很好地解決材料組分波動、合金無序化以及缺陷形成的問題。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料的MOCVD外延加工方法,其特征在于通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD外延技術(shù),以交替匹配生長原子層級厚度的三元合金銦鎵氮和鋁鎵氮材料的方法形成鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述外延加工方法,其特征在于所述MOCVD的MO源流量滿足:TMA/TMI=4.66。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述外延加工方法,其特征在于調(diào)節(jié)MO源流量改變AlGaInN帶隙寬度Eg,使AlInGaN材料帶隙寬度的可調(diào)范圍為0.6eV?6.2eV。
【文檔編號】H01L33/32GK103715071SQ201310617266
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】徐峰, 陳鵬, 譚崇斌, 徐洲, 張琳, 吳真龍, 高峰, 徐兆青, 邵勇, 王欒井, 宋雪云 申請人:南京大學揚州光電研究院
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