CN103840044B - 外延片量子阱结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种外延片量子阱结构的制备方法，包括：提供衬底；在衬底之上形成本征氮化镓层；在本征氮化镓层之上形成第一类型的氮化镓层；在第一类型的氮化镓层之上形成氮化镓/铟镓氮的量子阱结构，其中，氮化镓量子垒在第一温度、第一压强条件下、第一气氛中形成，铟镓氮量子阱在第二温度、第二压强下、第二气氛中形成；在阻挡层之上形成第二类型的氮化镓层，其中，第一温度高于第二温度，第一压强高于第二压强，第一气氛的气体比热容低于第二气氛的气体比热容。本发明具有温度转换快，生产效率高，所得到的量子阱质量好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种外延片量子阱结构的制备方法。
背景技术
多量子阱(MQWs)是LED发光二极管中一个重要结构，由量子阱和量子垒周期***替组成。目前商业化GaN基LED外延片均采用较为昂贵的金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)设备生产。在GaN基LED外延生长过程中，由于InGaN量子阱和GaN量子垒生长温度存在差别，在交替生长两种材料时MOCVD设备需花较多的时间实现温度转换，如何缩短MQWs生长过程中的温度转换时间，以提高GaN基LED外延片生产效率是一个重要的研究方向。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种能够缩短量子阱生长时间，提高设备产能的外延片量子阱结构的制备方法。
根据本发明实施例的外延片量子阱结构的制备方法，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成本征氮化镓层；在所述本征氮化镓层之上形成第一类型的氮化镓层；在所述第一类型的氮化镓层之上形成氮化镓/铟镓氮的量子阱结构，其中，氮化镓量子垒在第一温度、第一压强条件下、第一气氛中形成，铟镓氮量子阱在第二温度、第二压强下、第二气氛中形成；在所述量子阱结构之上形成第二类型的氮化镓层，其中，所述第一温度高于所述第二温度，所述第一压强高于第二压强，所述第一气氛的气体比热容低于所述第二气氛的气体比热容。
在本发明的一个实施例中，所述第一气氛为氦气，所述第二气氛为氮气。
在本发明的一个实施例中，所述第一气氛为氦氮混合气体，所述第二气氛为氮气。
在本发明的一个实施例中，还包括：在所述第一类型的氮化镓层与所述量子阱结构之间形成应力释放层。
在本发明的一个实施例中，所述应力释放层为交替生长的多层铟镓氮子层和多层氮化镓子层的超晶格结构。
在本发明的一个实施例中，每层所述氮化镓子层厚度为15nm-85nm，每层所述铟镓氮子层厚度为1nm-20nm。
在本发明的一个实施例中，还包括：在所述量子阱结构与所述第二类型的氮化镓层之间形成阻挡层。
在本发明的一个实施例中，重复n次所述形成氮化镓/铟镓氮的量子阱结构的步骤，以形成多量子阱结构，其中2≤n≤25。
在本发明的一个实施例中，所述第一温度为800℃-900℃，所述第二温度为700℃-800℃。
在本发明的一个实施例中，所述第一压强为300mbar-500mbar，所述第二压强为100mbar-300mbar，且所述第一压强与第二压强的差为100mbar-400mbar。
在本发明的一个实施例中，所述阻挡层材料为铝镓氮，厚度为20nm-60nm。
根据本发明实施例的外延片量子阱结构的制备方法，采用金属有机物化学气象沉积法(MOCVD)，通过改变的载气种类及反应压力的手段，来迅速改变外延层表面温度，提高量子阱晶体质量，缩短量子阱生长时间，以达到提高设备产能的目的。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的外延片量子阱结构的制备方法的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，本发明实施例的外延片量子阱结构的制备方法包括：
S1.提供衬底。具体地，衬底为蓝宝石图形衬底，蓝宝石图形衬底是生长氮化镓基半导体的常用衬底。
S2.在衬底之上形成本征氮化镓层。具体地，在还原性的氢气载气下，在衬底上形成不掺杂的氮化镓层。
S3.在本征氮化镓层之上形成第一类型的氮化镓层。具体地，在还原性的氢气载气下，生长第一类型的氮化镓层为掺硅的n型氮化镓。需要说明的是，在也可以为掺镁的p型氮化镓。
S4.在第一类型的氮化镓层之上形成应力释放层。具体地，在氮气载气下，交替地生长多层铟镓氮子层和多层氮化镓子层的超晶格结构，其中，每层所述氮化镓子层厚度为15nm-85nm，每层所述铟镓氮子层厚度为1nm-20nm。该应力释放层能释放前面结构带来的应力，有益于提高即将生长的量子阱结构晶体质量，从而提升外延片的内部量子效率。需要说明的是，本步骤为优选步骤而非必须的。
S5.在应力释放层之上形成氮化镓/铟镓氮(GaN/InGaN)的量子阱结构，其中，氮化镓量子垒在第一温度、第一压强条件下、第一气氛中形成，铟镓氮量子阱在第二温度、第二压强下、第二气氛中形成。其中，第一温度高于第二温度，第一压强高于第二压强，第一气氛的气体热导率高于第二气氛的气体热导率。该步骤可以重复n次，以形成多层量子阱的超晶格结构。其中，上述的“气氛”的概念即指载气的类型。具体地：
生长完应力释放层后，先将载气切换成纯氦气或者氦氮混合气体，反应腔压力稳定在300mbar-500mbar之间，调节反应腔加热源温度，使外延片表面温度迅速稳定在800℃-900℃，开始通入三乙基镓和NH3生长氮化镓量子垒。
生长氮化镓量子垒之后、生长铟镓氮量子阱开始前，将载气切换为氮气，反应腔压力稳定在100mbar-300mbar，且要求生长氮化镓量子垒时的载气压力与生长铟镓氮量子点时的载气压力之差为100mbar-400mbar，调节反应腔加热源温度，使外延片表面温度迅速稳定在700℃-800℃，开始通入三乙基镓、NH3与三甲基铟生长铟镓氮量子阱。
以上不同生长阶段采用不同工艺条件的选择依据如下：
(1)由于氮化镓材料的最佳晶体生长温度高于铟镓氮材料，故需设定第一温度高于第二温度。
(2)氦气为单原子气体、氮气为双原子气体，根据物理化学数据氦气的摩尔比热容低于氮气的摩尔比热容(定压摩尔比热容和定容摩尔比热容均是如此)。
当切换到升温生长氮化镓量子垒的步骤时，由于在固定加热丝功率的前提下，在氦气受热升温比氮气受热升温更明显，能够更快地加热达到预设温度，故应选用易于加热升温的纯氦气或氦氮混合气体的气氛。相反地，当切换到降温生长铟镓氮量子阱的步骤时，由于氮气的比热容更大，能够吸收更多的热量、更快地降低腔室温度，故应选用氮气氛围。需要说明的是，第一气氛采用纯氦气的缩短加热时间的效果更明显，但采用氦氮混合气体的成本更低，实际情况可根据需要选用。
(3)腔室压力较大时，参与热交换的气体分子较多，分子自由程变短，气体与晶体表面达到热平衡的温度较高，有助于晶体表面温度迅速升高；腔室压力较小时，参与热交换的气体分子减少，分子自由程变高，气体与晶体表面达到热平衡的温度变低，有助于晶体表面温度迅速降低。故需设定第一压强大于第二压强。但第一压强与第二压强相差不宜过大，以免气压增减的切换过程耗时过多，二者的差值宜控制在一定范围内。
在本发明的一个优选实施例中，可重复n次生长上述氮化镓/铟镓氮的量子阱方案，即重复n次步骤S5，以形成多层量子阱结构，其中，2≤n≤25。
S6.在量子阱结构之上形成阻挡层。具体地，该阻挡层为铝镓氮，厚度为20nm-60nm。阻挡层的位置一般在量子阱结构上方，能够有效的阻挡电子从有源区溢出，从而增加有源区电子的数量，提高量子阱层的载流子复合效率，提升LED芯片发光效率。需要说明的是，本步骤为优选步骤而非必须的。
S7.在阻挡层之上形成第二类型的氮化镓层。具体地，当步骤S3中的第一类型的氮化镓层为n型氮化镓时，生长p型氮化镓；当步骤S3中的第一类型的氮化镓层为p型氮化镓时，生长n型氮化镓，其中，第二类型的氮化镓层的厚度为150nm到300nm。
本发明利用改变气体氛围和反应压力的方法，能实现不同温度的迅速转换，有效降低MQWs的生长时间，并且量子阱在低压环境下生长，能提高量子阱的晶体质量，显著降低发光波长半波宽，增加内量子效率。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (11)
1.一种外延片量子阱结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底之上形成本征氮化镓层；
在所述本征氮化镓层之上形成第一类型的氮化镓层；
在所述第一类型的氮化镓层之上形成氮化镓/铟镓氮的量子阱结构，其中，氮化镓量子垒在第一温度、第一压强条件下、第一气氛中形成，铟镓氮量子阱在第二温度、第二压强条件下、第二气氛中形成；
在所述量子阱结构之上形成第二类型的氮化镓层，
其中，所述第一温度高于所述第二温度，所述第一压强高于第二压强，所述第一气氛的气体摩尔比热容低于所述第二气氛的气体摩尔比热容。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一气氛为氦气，所述第二气氛为氮气。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一气氛为氦氮混合气体，所述第二气氛为氮气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在所述第一类型的氮化镓层与所述量子阱结构之间形成应力释放层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述应力释放层为交替生长的多层铟镓氮子层和多层氮化镓子层的超晶格结构。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，每层所述氮化镓子层厚度为15nm-85nm，每层所述铟镓氮子层厚度为1nm-20nm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在所述量子阱结构与所述第二类型的氮化镓层之间形成用于阻挡电子从量子阱结构溢出的阻挡层。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重复n次所述形成氮化镓/铟镓氮的量子阱结构的步骤，以形成多量子阱结构，其中2≤n≤25。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一温度为800℃-900℃，所述第二温度为700℃-800℃。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一压强为300mbar-500mbar，所述第二压强为100mbar-300mbar，且所述第一压强与第二压强的差为100mbar-400mbar。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阻挡层材料为铝镓氮，厚度为20nm-60nm。
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