一種鋁銦鎵氮四元合金薄膜材料的mocvd外延加工方法
2024-02-15 17:32:15 2
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，屬於半導體【技術領域】。通過金屬有機物化學氣相澱積MOCVD外延技術，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。採用以上工藝製備成的AlInGaN四元合金薄膜材料達到以下參數指標：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
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁銦鎵氮(AlInGaN)四元合金薄膜材料的外延生長工藝方法，屬於半導體【技術領域】。
【背景技術】
[0002]發光二極體LED器件近年來取得了飛速的進展，已被廣泛應用於消費電子產品和各類型指示光源。但目前LED器件的發光性能仍受到其量子阱的內量子效率的制約，諸如材料的極化效應以及高質量量子阱結構的製備等。研究表明:通過將四元合金AlInGaN薄膜材料作為LED量子阱結構的壘層材料能有效提升發光二極體光電性能。AlInGaN材料具有以下優點:晶格常數可獨立調節，實現晶格匹配，顯著減小極化效應；抑制能帶結構中帶尾態的產生；帶隙補償值較大，能有效增強載流子限制效應，提高載流子輻射複合發光效率；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並抑制非輻射複合中心的產生；通過應變工程設計，能夠控制阱層的晶格應變狀況，調節放大量子阱的發光範圍。
[0003]AlInGaN四元合金材料及其在量子阱結構中的運用研究已經取得相當的進展，但高質量AlInGaN四元合金材料的生長製備還比較困難，具體體現在: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，並且隨著生長溫度的提高，AlInGaN四元合金材料無序化程加劇並誘發組分波動，金屬原子在應力場作用下發生遷移，形成隨機分布的金屬團簇，導致了相分離和旋節線分解等生長問題。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的異質界面質量難以控制，組分的偏離和界面的退化都容易使設計的晶格匹配發生偏移，從而降低量子阱的內量子效率。
【發明內容】
[0004]針對AlInGaN四元合金薄膜材料生長技術難題，本發明提出一種組分均勻、帶隙寬度可控、晶格匹配度高的基於MOCVD外延系統的AlInGaN材料的加工方法。
[0005]本發明通過金屬有機物化學氣相澱積MOCVD外延技術，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]採用以上工藝製備成的AlInGaN四元合金薄膜材料達到以下參數指標: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面晶格常數失配度〈0.5%。
[0007]本發明更適合於提升量子阱結構內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構的壘層材料中，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，以實現與GaN材料面內晶格常數的高度匹配。
[0009]本發明還通過調節MO源流量改變AlGaInN帶隙寬度Eg，使Al InGaN材料帶隙寬度的可調範圍擴展到0.6eV~6.2eV。
[0010]本發明通過對MOCVD核心生長參數進行系統調控,達到生長高質量AlInGaN材料目的。
[0011]本發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外延製備系統三五族III /V元素流量比以及生長速率進行整體調控，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，實現材料表面平整，金屬元素分布均勻，達到與GaN晶格常數高度匹配。
【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為傳統的一次性四元合金AlInGaN薄膜材料生長後形成的薄膜材料生長示意圖。
【具體實施方式】
[0015]生產設備、材料:
1、金屬有機物化學氣相澱積MOCVD衛星盤式2英寸11片機製備系統。
[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輸入MOCVD反應室。
[0020]通過調節MOCVD的MO源流量、生長溫度以及壓力等工藝參數，MOCVD的MO源流量設置滿足:TMA/TMI=4.66，實現與GaN材料面內晶格常數的高度匹配。
[0021]如圖1所示，通過調節MO源流量改變AlGaInN帶隙寬度Eg，使AlInGaN材料帶隙寬度的可調範圍擴展到0.6e疒6.2eV。
[0022]AlxInyGa1TyN材料帶隙寬度可根據下式求解:
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。
[0023]本實施例中具體步驟為:
步驟1:通過MOCVD製備系統在H2環境下高溫烘烤C面(藍寶石)襯底，採用兩步生長法製備GaN支撐層:在520°C低溫下製備GaN成核層，升溫退火後生長厚度2 μ m的GaN層。
[0024]步驟2:以氮氣(N2)作載氣，通入MO源TMI，TMG，計算設定生長時間，製備原子層級厚度的InGaN三元合金薄膜。
[0025]步驟3:切斷TMI源，通入TMA源，計算設定生長時間，製備原子層別厚度的AlGaN
三元合金薄膜。
[0026]步驟4:循環重複步驟2和3，達到AlGaInN材料具體的厚度參數要求。
[0027]本實施例採用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構中。根據彈性第一性原理，InGaN量子阱的阱層簡單適配於其壘層的晶格常數；假設量子阱結構是完全應變的，AlGaInN壘層的應變強度會直接影響到InGaN阱層的材料質量和位錯密度。因此AlGaInN與GaN晶格匹配，可以獨立調節自發極化和應變，改善InGaN阱層的結晶質量。根據量子阱發光波長的改變，相應調節AlInGaN壘層材料的帶隙寬度，提高對注入載流子的限制能力，防止電子溢流現象。
[0028]從圖2可見,採用本發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律性。
[0029]從圖3可見，採用傳統的四元合金一次生長後形成的薄膜材料中合金元素分布雜舌L。
[0030]可見，本發明可以取代傳統的合金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，其特徵在於通過金屬有機物化學氣相澱積MOCVD外延技術，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.根據權利要求1所述外延加工方法，其特徵在於所述MOCVD的MO源流量滿足:TMA/TMI=4.66。
3.根據權利要求1所述外延加工方法，其特徵在於調節MO源流量改變AlGaInN帶隙寬度Eg，使AlInGaN材料帶隙寬度的可調範圍為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 優先權日:2013年11月29日
【發明者】徐峰, 陳鵬, 譚崇斌, 徐洲, 張琳, 吳真龍, 高峰, 徐兆青, 邵勇, 王欒井, 宋雪雲 申請人:南京大學揚州光電研究院