CN100401542C - 一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法 - Google Patents

一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法。该方法是在GaN基半导体材料生长完成后进行，其步骤是向生长完成后的半导体材料注入离子，然后对注入离子后的半导体材料进行热处理。具体是对GaN基材料中的发光区域InGaN/GaN多量子阱层进行一定剂量的质子注入，然后采用快速热退火方式达到增加GaN基半导体材料发光效率的目的。本发明所需采用工艺均属目前微电子的常规工艺技术，实施方法简便。本发明有效地提高了GaN基半导体材料的发光性能，特别是蓝光二极管材料的发光效率，扩大了其在军事和民用等领域的应用范围。

Description

一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术，具体涉及一种可提高GaN基半导体材料发光效率的方法。
背景技术
20世纪90年代研制成功的GaN基半导体发光二极管(LED)材料，因具有内、外量子效率高和较高的发光性能，高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱以及高强度和高硬度等特点，而成为目前世界上最先进的半导体材料。使用该材料制备成功的蓝、绿、紫、白色发光二极管(LED)，可作为高效固体光源，具有防爆、节能和使用寿命长等特点。如蓝、绿光可用于大屏幕彩色显示、汽车照明和交通信号、多媒体显示等行业，蓝光激光器还可取代红外激光而应用于光纤通讯、光电探测、数据存储等军事和民用等领域中。其中白光二极管是以蓝光或紫光激发稀土荧光物质合成的白光光源，可广泛替代白炽灯、日光灯等传统玻壳照明电光源，而成为21世纪未来的发展目标。为实现人类这一目标，许多科技人员对如何提高GaN基半导体发光二极管(LED)的发光效率这一关键技术进行了不同程度的研究。目前，一般所采用的方法是通过优化该半导体材料的生长工艺过程来提高发光效率的，该方法包括：(一)调节作为发光区域(MQWs)中InGaN/GaN多量子阱的In(铟)的组分、阱的厚度、垒的高度以及掺杂水平；(二)采用以H2作为表面活化剂的方法来改善异质结合界面的平整度，抑制杂质进入发光区域等。以上方法对提高GaN基半导体发光二极管(LED)的发光效率有一定的效果，但在实施过程中，因其存在较多的相互制约因素，而且需要大量实验、投入很多的人力和物力也未必能明显提高其发光效率，例如：高温条件可促进量子阱生长，但高温又会使InGaN/GaN多量子阱中的In组分产生脱附现象而引起合金中In组分的涨落，导致相分凝、形成量子点，这将直接影响到晶体的质量和LED的发光效率。
发明内容
本发明基于上述采用优化半导体材料生长工艺过程来提高发光区域的发光效率所存在的问题、而另僻新径，即在该材料生长完成后，通过后处理工艺来达到提高GaN基半导体材料发光性能的目的。
本发明的技术解决方案
本发明方法是在GaN基半导体材料生长完成后进行，其步骤(一)是向生长完成后的半导体材料注入离子；其步骤(二)是对注入离子后的半导体材料进行热处理。本发明的进一步技术解决方案是优化选择离子种类及其优化选择注入离子的能量和剂量，并使注入离子分布主要在发光区域中，该离子为质子；所述的热处理为快速热退火(RTA)方式。
本发明的有益效果
(一)本发明采用特定的离子注入法，在对其它如Ga、N、In等离子也进行了试验的基础上，最后特别优化选择在半导体中具有高扩散率和强化学活性的质子注入，质子能与非辐射复合中心复合而使非辐射复合中心钝化，从而大大提高发光效率；又因由质子注入形成的点缺陷诱导发光区域界面混合效应可改变异质界面处的势分布，增加发光区域对载流子的俘获能力而提高了半导体材料的发光效率。
(二)本发明实施所需采用的离子注入、以及快速热退火等工艺手段，均属目前微电子工艺的常规工艺，使本发明可以方便地利用现有的技术实现发明目的。
(三)本发明有效地提高了GaN基半导体材料的发光性能，特别是蓝光二极管材料的发光效率，扩大了其在军事和民用等领域的应用范围。
附图说明
图1GaN基半导体发光二极管(LED)材料生长结构示意图
图2离子(质子)注入样品优化能量的理论模拟结果示意图
图3离子(质子)注入样品放置示意图
图4离子(质子)注入前后荧光光谱测量结果对比示意图
具体实施方式
本发明在GaN基半导体材料生长完成后，对该材料发光区域中注入离子(质子)是关键技术之一，如图一所示，GaN基LED材料的衬底为蓝宝石，依次生长有：多晶GaN薄层、单晶GaN层、掺Si的N型单晶GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、及掺Mg的AlGaN/GaN超晶格和掺Mg的单晶GaN共同作为p型电极层。其中五组InGaN/GaN多量子阱层构成发光区域，本发明所注入质子主要分布在该区域层内，以使质子对该区域层中非辐射的复合中心更好地进行钝化，从而提高了GaN基半导体材料的发光性能。而质子注入的能量、剂量的选择也是关键所在，图2给出了现今常用的理论模拟软件对试验材料注入质子的模拟结果。从图2可采集出对所研究材料注入质子能量为(15keV-30keV)最佳注入能量为22keV。另外对质子注入的剂量也必须进行优化，因为当质子注入的剂量较低时，发光区域中一些非辐射的复合中心不能完全被钝化，使得发光效率不能明显提高，而当注入的剂量太高时，由过量质子注入产生的过多的点缺陷在随后的快速热退火中会聚集成不可恢复的缺陷团簇而成为新的非辐射复合中心，而降低量子点的发光效率。本发明进行了不同剂量样品的质子注入试验，并对同等条件热处理前后荧光特性进行比较，得出质子注入的剂量范围为5×1012到5×1014cm-2。确定好质子注入的能量、剂量的组合参数，即可实施质子的注入工作。本发明采用LC-4型高能离子注入机，其离子(质子)注入样品放置如图3所示，样品1固定在样品支架2上，同时，为了减小离子(质子)注入过程中的沟道效应，使薄膜样品的法线方向与离子(质子)束3注入的方向偏离一定角度，经试验以7度为好，且质子注入是在常温下进行。
本发明关键技术之二，GaN基半导体材料经过上述质子注入后，将会使材料在晶格结构中产生大量的缺陷，这些缺陷的存在大大影响量子效率，从而降低材料的发光性能。本发明采用快速热退火(RTA)方法可以有效消除这些缺陷，激发更多载流子；并能有效辅助注入缺陷诱导的量子点界面处互扩散过程的完成，从而改变量子阱层的势形状，增加发光区域对载流子的收集效率。此外，本发明实施的是快速热退火过程(采用RTP-300型快速退火炉，升温速率：100～200℃/sec；温度稳定性：±3℃)，快速热退火也必须优化退火的温度和时间，过低的温度和过短的时间都不能充分地克服质子注入造成的点缺陷，而过高的退火温度和过长的退火时间又将会产生新的非辐射复合中心。为此，经试验本发明优化的热退火工艺参数的范围为：温度900-600℃，退火时间8-3min。最佳退火温度为700℃，退火时间为5min，并均须在高纯氮气的保护下进行。本发明为了验证发光效率提高程度、采用英国ACCENT公司生产的RPM2000型荧光光谱仪，对不同注入剂量样品质子注入并热处理前后的荧光特性进行比较，为了保证试验的可比性，使质子注入前后样品荧光测量的条件相同，热处理温度为700℃、热处理时间为5min、室温28.3℃、激光器的功率6.4mW。对比结果如下表：
  注入剂量(cm<sup>-2</sup>)   5×10<sup>12</sup>   1×10<sup>13</sup>   5×10<sup>13</sup>   1×10<sup>14</sup>   5×10<sup>14</sup>
  处理后的荧光强度原荧光强度 1.4 3.1 1.2 0.2 湮灭
从表中可见同的热处理温度，注入剂量为1×1013cm-2相应的发光效率最佳，荧光强度增加了3.1倍，如图4所示(图中a为样品原荧光曲线，b为采用本发明后样品的荧光曲线)；注入剂量5×1012cm-2相应的强度变化不明显，说明注入的质子剂量还不足以钝化材料中的非辐射复合中心；注入剂量继续增大后(如5×1013cm-2或更大)，强度变化也不明显，甚至无法测出荧光信号，这是由于随注入剂量的增大，材料中由注入质子导致的缺陷密度显著增加，而相同的热处理条件未能较大程度消除这些缺陷。遇这种情况可以通过继续提高后处理温度(如900℃)或增加热处理的时间(如10min)，得以消除这些缺陷。
综上，本发明对提高GaN基半导体发光二极管(LED)材料发光效率经机理分析和实验支持证实了本发明在GaN基半导体材料生长完成后，注入质子并优化其注入能量、剂量对原材料中非辐射复合中心的钝化起到积极作用；所进行的快速热退火处理能有效地辅助质子注入诱导的量子点界面混合效应，改变量子阱层的势形状，增加发光区域对载流子的收集效率。本发明最大程度提高了GaN基半导体发光二极管(LED)材料发光效率及其晶体品质。

Claims (5)

1.一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法，是在GaN基半导体材料生长完成后进行，其步骤(一)是向生长完成后的半导体材料注入离子；步骤(二)是对注入离子后的半导体材料进行热处理，其特征在于：向生长完成后的半导体材料注入的离子主要分布在InGaN/GaN多量子阱层发光区域中，注入的离子为质子。
2.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法，其特征在于：所述热处理的温度参数为600-900℃，时间参数为5-10分钟。
3.根据权利要求1所述的一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法，其特征在于：向生长完成后的半导体材料注入质子的能量范围为15keV-30keV；剂量范围为5×1012-5×1013cm-2。
4.根据权利要求2所述的一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法，其特征在于：热处理温度参数为700℃，时间参数为5分钟。
5.根据权利要求3所述的一种提高氮化镓(GaN)基半导体材料发光效率的方法，其特征在于：向生长完成后的半导体材料注入质子的能量为22keV；剂量为1×1013cm-2。
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Denomination of invention: Method for improving gallium nitride (GaN) base semiconductor material luminous efficiency

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Open date: 20060712

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