專利名稱：非極性(Al,B,In,Ga)N量子阱的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料、方法及裝置，且更具體而言涉及非極性(Al，B，In，Ga)N量子阱。
背景技術：
(注意本申請案引用多個不同的出版物，這些出版物在本說明書中自始至終由一個或多個參考編號指示。這些不同出版物按照這些參考編號排序而形成的列表可見于下文中標題為“參考文獻”的部分中。所有這些出版物均以引用方式并入本文中。)目前，現有技術水平的基于氮化物的外延裝置結構是沿在熱力學上穩定的纖維鋅礦(Al，Ga，In)N單位晶胞的極性c軸生長。因氮化物[1]具有強的極化常數，故異質結構內的界面極化間斷性與會產生強內部電場的固定片電荷相關聯。這些“內建”的極化感應電場會限制采用量子阱有源區的光電裝置的性能。具體而言，由內部場引起的電子與空穴波動函數在空間上的分離，即量子約束斯塔克效應(QCSE)，會減小振蕩器躍遷強度且最終限制量子阱[2]的再結合效率。沿非極化方向生長氮化物晶體會提供一種制成不受這些強極化感應電場影響的基于氮化物的量子結構的有效方法，這是因為極軸位于薄膜的生長平面內。
最初是通過使用鋁酸鋰襯底進行等離子體輔助的分子束外延(MBE)來證實(1 100)m-平面GaN/AlGaN多量子阱(MQW)結構[3]。自從該第一次證實以后，又將通過氫化物氣相外延(HVPE)而生長的獨立m-平面GaN襯底用于通過MBE[4]及有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)[5]兩種方式進行的后續外延GaN/AlGaN MQW生長。除m-平面外，還對通過MBE[6]及MOCVD[7]兩種方式在r-平面藍寶石襯底上生長的a-平面GaN/AlGaN MQW結構進行了研究。這些結構的光學特性已表明，非極性量子阱不受極化感應電場的影響。
本發明闡述a-平面GaN/AlGaN MQW發射對GaN量子阱寬度的相依性。此外，對通過MOCVD生長的a-平面及c-平面MQW的GaN阱寬度范圍的研究還表明了非極性取向所獨有的發射特征。
發明內容
本發明闡述一種制作非極性a-平面GaN/(Al，B，In，Ga)N多量子阱(MQW)的方法。就此而言，a-平面MQW通過有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)在適當的GaN/藍寶石模板層上生長，阱寬度范圍介于20至70之間。來自a-平面MQW的室溫光致發光(PL)發射能量遵循一使用自相容泊松薛定諤(self-consistentPoisson-Schrodinger，SCPS)計算來建模的方阱趨勢。在a-平面MQW的量子阱寬度為52時獲得最佳PL發射強度。
現參見圖式，在所有圖式中，相同的參考標記均代表對應的部分圖1為一圖解說明一種根據本發明一較佳實施例用于形成非極性a-平面GaN/(Al，B，In，Ga)N量子阱的方法的各步驟的流程圖。
圖2為一對同時再生長的a-平面(69的GaN)/(96的Al0.16Ga0.84N)及c-平面(72的GaN)/(98的Al0.16Ga0.84N)MQW堆疊進行高分辨率x射線衍射(HRXRD)掃描的曲線圖。除量子阱尺寸外，HRXRD曲線還提供貫穿半峰全寬(FWHM)衛星峰值的MQW界面質量的定性比較。
圖3(a)及(b)為阱寬度范圍從20至70的(a)a-平面及(b)c-平面GaN/(100的Al0.16Ga0.84N)MQW的室溫PL譜的曲線圖。每一曲線上的垂直灰線均表示GaN塊材層的能帶邊緣。
圖4為一表示a-平面與c-平面MQW的溫室PL發射能量對阱寬度的相依性的曲線圖。虛線為對一平帶GaN/(100的Al0.16Ga0.84N)MQW進行自相容泊松薛定諤(SCPS)計算的結果。對于這兩個生長取向而言，發射能量均隨著阱寬度的增加而減小，但在一臨界阱寬度以上，c-平面MQW發射能量紅移至GaN層的能帶邊緣以下。
圖5為在a-平面及c-平面兩種生長取向情況下歸一化室溫PL強度隨GaN量子阱寬度變化的曲線圖。每一種取向的數據均分別歸一化，因此無法在a-平面與c-平面MQW的相對強度之間進行直接比較。
具體實施例方式
在下文對較佳實施例的說明中，將參照附圖，這些附圖構成本發明的一部分且以舉例說明方式顯示其中可實踐本發明的具體實施例。
應了解，亦可使用其它實施例且可作出結構改變，此并不背離本發明的范圍。
概述基于非極性氮化物的半導體晶體不會受到能支配基于極性氮化物的量子結構特性的極化感應電場的影響。由于纖維鋅礦氮化物單位晶胞的極化軸與極性氮化物晶體的生長方向平行對齊，因此在極性氮化物異質結構中存在內部電場。這些“內建”的場對現有技術水平的光電及電子裝置存在有害的影響。而通過沿非極性方向生長氮化物晶體，就能實現不受極化感應電場影響的量子結構。由于一給定量子阱的能帶會根據生長方向而變化，因此必須應用不同的科學原理來設計高性能非極性量子阱。本發明闡述用于制作最佳化非極性量子阱的設計原理。
過程步驟圖1為一流程圖，其圖解說明一種根據本發明一較佳實施例用于形成量子阱的方法的各步驟。此方法的各步驟會在a-平面GaN/r-平面藍寶石模板層上生長非極性a-平面GaN/AlGaN MQW。
方塊100代表將一藍寶石襯底裝入一垂直且緊密排列的淋浴頭型MOCVD反應器中。對此步驟而言，可從商家購得表面晶體取向處于藍寶石r-平面的+/-2°內的開盒即用的藍寶石襯底。不需要在將藍寶石襯底裝入MOCVD反應器之前實施離場制備，但可使用對藍寶石襯底的離場清理作為-預防措施。
方塊102代表在高溫(＞1000℃)下就地對藍寶石襯底進行退火，這會提高襯底表面在原子規模上的質量。在退火后，降低襯底溫度以便進行隨后的低溫成核層沉積。
方塊104代表沉積一薄的低溫、低壓、基于氮化物的成核層作為藍寶石襯底上的緩沖層。此類層通常用于c-平面(0001)氮化物半導體的異質外延生長。在該較佳實施例中，所述成核層是由(但不限于)在約400-900℃及1個大氣壓下沉積的1-100納米(nm)的GaN構成。
在沉積所述成核層后，使反應器溫度升至-高溫，且方塊106代表在沉積在襯底上的成核層上一次或多次生長經無意摻雜(UID)的a-平面GaN層至約1.5μm的厚度。高溫生長條件包括(但不限于)約1100℃的生長溫度、0.2個大氣壓或更低的生長壓力、每分鐘30μmol的Ga流量及每分鐘40,000μmol的N流量，由此提供約等于1300的V/III比率。在該較佳實施例中，用作III族及V族源的前驅物為三甲基鎵、氨及乙硅烷，但亦可使用替代前驅物。另外，在不偏離本發明范圍的情況下，可改變生長條件來產生不同的生長速率，例如每秒5與9之間。
在完成高溫生長步驟后，方塊108代表在氮氣過壓情況下對外延a-平面GaN層進行冷卻。
最后，方塊110代表止在a-平面GaN層上生長的一個或多個(Al，B，In，Ga)N層。較佳地，這些生長層包括以～2×1018cm-3的Si濃度摻雜的～100Al0.16Ga0.84N障壁層。此外，可視需要重復上述方塊。在一個實施例中，將方塊110重復10次來形成寬度范圍從約20至約70的UID GaN阱。
實驗結果對于非極性氮化物量子阱而言，存在平能帶分布但不存在QCSE。因此，與極性量子阱相比，預計非極性量子阱發射會遵循不同的趨勢。主要是，非極性量子阱表現出提高的再結合效率，且可自更厚的量子阱進行強發射。此外，最佳非極性量子阱發射所需的量子阱寬度大于極性量子阱發射所需的量子阱寬度。
下文闡述非極性GaN/(～100Al0.16Ga0.84N)MQW與c-平面結構相比較的隨量子阱寬度變化的室溫PL特性。為實現此目的，通過MOCVD以介于約20至70之間的阱寬度在適當的GaN/藍寶石模板層上同時再生長10個周期的a-平面及c-平面MQW結構。
對在三重軸模式中使用CuKα1輻射以Philips MRD XPERT PROTM衍射儀所作的HRXRD測量[9]進行的運動學分析證實了量子阱尺寸及障壁層成分。借助使用He-Cd激光器(激發功率密度～10W/cm2)的325nm線進行室溫連續波(c-w)PL譜測量來表征MQW發射特性。
圖2為一對同時再生長的a-平面(69的GaN/96的Al0.16Ga0.84N)及c-平面(72的GaN/98的Al0.16Ga0.84N)MQW堆疊進行的HRXRD掃描的曲線圖。除量子阱尺寸外，HRXRD分布還提供貫穿FWHM衛星峰值的MQW界面質量的定性比較。
分別在GaN(1120)及(0004)反射周圍對所述a-平面及c-平面結構進行同軸2θ-ω。對x射線分布進行的分析得出了AlxGa1-xN障壁層的鋁成分x及量子阱尺寸(阱及障壁層厚度)二者，對于同時生長的a-平面及c-平面采樣，其相差不超過7％，此表明一質量傳輸受限制的MOCVD生長狀態。除來自GaN層的強反射外，這兩個HRXRD分布還表明超晶格(SL)峰值向外達到二階。SL峰值的FWHM可為量子阱界面質量提供一定性量度[10]；因此，通過圖2中所示的掃描，可斷定a-平面MQW的界面質量差于c-平面樣本的界面質量。盡管a-GaN模板中貫穿MQW的穿透位錯密度很大，然而對a-平面MQW結構質量的分析(闡述于[9]中)仍表明存在一明顯的界面。與c-平面相比的穿透位錯(TD)密度升高且a-平面生長的表面粗糙度增大很可能是a-平面MQW界面粗糙度變大及SL峰值變寬的原因。另外，據估計，a-平面TD密度大于c-平面TD密度約兩個數量級。
圖3(a)及(b)為阱寬度范圍從20至70的(a)a-平面及(b)c-平面GaN/(100的Al0.16Ga0.84N)MQW的室溫PL譜的曲線圖。每一曲線上的垂直灰線均表示GaN塊材的能帶邊緣。
不管晶體取向如何，當量子局限效應減小時，MQW PL的發射均會隨著量子阱寬度的增加而移至更長的波長(等效地，PL發射減少)。
具體而言，隨著阱寬度的增加，a-平面MQW的發射能量穩定地接近GaN塊材的能帶邊緣但不會紅移出GaN塊材的能帶邊緣。UID a-GaN薄膜的電阻性質會阻止在室溫下進行能帶邊緣發射，從而如在圖3(a)中所觀察到僅自量子阱發射。
相反地，當GaN量子阱寬度從38增加至50時，c-平面MQW發射能量紅移至GaN能帶邊緣以下。對于寬于50的極性GaN阱而言，只檢測到自下伏GaN進行的PL發射。c-GaN緩沖發射的出現意味著c-平面模板具有一低于a-平面模板的固有點缺陷密度。而且，在非極性及極性MQW二者中均觀察到黃帶發射；因此，深陷阱能級的起源很可能是保持a-平面形態所需的生長條件而不是非極性取向的特征。
PL發射譜的這兩個主要特征-發射能量及發射強度-分別在圖4及5中歸納成隨量子阱的寬度而變化。因存在量子局限效應，發射能量隨阱寬度的增大而減小。
圖4為一a-平面及c-平面MQW的室溫PL發射能量對阱寬度的相依性的曲線圖。對于所有被研究的量子阱寬度而言，a-平面MQW發射均會相對于GaN塊材能帶邊緣藍移，且當量子局限效應使量子阱的基態能量升高時，所述藍移量會隨阱寬度的減小而增加。使用如圖4中虛線所示的方阱SCPS計算[11]來對a-平面MQW的發射能量趨勢進行精確地建模。理論與實驗之間的一致性證實，非極性MQW的發射不受極化感應電場影響。盡管存在此種一致性，然而理論模型會隨著量子阱寬度的減小而逐漸將實驗數據估高15至35meV。這種偏離的趨勢可通過激子結合能量隨GaN/AlGaN MQW的阱寬度的減小而預期增加來解釋[12，13]，因為在SCPS模型中未慮及激子結合能量。相反地，圖4顯示c-平面MQW發射隨阱寬度的增加的顯著紅移這是一種普遍觀察到的取決于OCSE的趨勢[14-18]。具體而言，實驗性c-平面MQW發射能量趨勢與由Grandjean等人所提出的極性QW基態的模型[13]相一致。通過對所述實驗數據進行內插，GaN阱寬度大于～43的c-平面MQW的發射低于GaN塊材能帶邊緣。增加阱厚度會增加量子阱內的載流子的空間間隔并降低再結合效率直至再也觀察不到MQW發射(阱寬于50)為止。先前報道的a-平面(107GaN)/(101Al0.25Ga0.75N)MQW的發射[9]提供了非極性MQW量子效率提高的額外證據。
圖5為在a-平面及c-平面兩種生長取向情況下歸一化的室溫PL強度隨GaN量子阱寬度變化的曲線圖。每一種取向的數據均分別歸一化，因此無法在a-平面與c-平面MQW的相對強度之間進行直接比較。因模板層的微結構質量明顯不同，故a-與c-平面MQW發射強度之間的直接比較將不具有說服力。
最大a-平面MQW發射強度與一52的最佳量子阱寬度相關聯，而最大c-平面發射強度則是在28寬的阱情況下觀察到的。由于QCSE，最佳發射強度是從相對薄的極性GaN量子阱(20-35)獲得-此視AlGaN障壁層的厚度及成分而定[13]。厚阱中再結合效率的降低及因異質界面處非輻射性躍遷而引起的再結合的減少與薄阱[19]外的電子波動函數擴展之間的平衡決定最佳c-平面阱寬度。相反地，因非極性MQW不會經受QCSE，故預計最佳阱寬度取決于材料質量、界面粗糙度及激子的玻爾半徑。雖然a-平面結構的界面粗糙度大于c-平面，但非極性取向的有利效果是明顯的。還應注意，隨著非極性表面及界面質量的提高，最佳阱寬度將很可能偏離對于這些樣本所觀察到的最佳寬度。
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結論就此結束對本發明較佳實施例的說明。下文將闡述用于實現本發明的一些替代實施例。
例如，在替代實施例中可使用非極性(Al，In，Ga)N量子阱及異質結構設計和MOCVD生長條件的變化形式。此外，除所生長的量子阱數量外，各層的特定厚度及成分均為量子阱結構設計所固有的變量且可用于本發明的各替代實施例中。此外，特定MOCVD生長條件決定量子阱結構層的尺寸及成分。就此而言，MOCVD生長條件依賴于反應器且可因特定反應器設計而異。對于目前在工業及學術中所使用的各種各樣的反應器設計，該過程可具有諸多種變化形式。
諸如生長溫度、生長壓力、V/III比率、前驅物流量及源材料等條件也可存在變化形式，此并不背離本發明的范圍。控制界面質量是該過程的另一重要方面且與特定反應器設計的流量切換能力直接相關。生長條件的不斷優化將使對上述集成量子阱層的成分及厚度控制更加精確。
另外，除MOCVD以外的若干種不同的生長方法也可用于本發明。例如，所述生長方法也可為分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)、氫化物氣相外延(HVPE)、升華或等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)。
最后，可采用除藍寶石以外的其他襯底。這些襯底包括碳化硅、氮化鎵、硅、氧化鋅、氮化硼、鋁酸鋰、鈮酸鋰、鍺、氮化鋁及鎵酸鋰。
為便于例示及說明起見，上文已提供了對本發明一個或多個實施例的說明。其并非旨在作為窮盡性說明或將本發明限定于所公開的確切形式。根據上述教示可作出諸多種修改及變動。本發明的范圍并不打算由本詳細說明加以限定，而時由隨附權利要求書加以限定。
權利要求
1.一種用于形成一氮化物半導體裝置的方法，其包括(a)在一襯底上生長一個或多個氮化鎵(GaN)層；及(b)在所述GaN層上生長一個或多個非極性(Al，B，In，Ga)N層，以形成至少一個寬度范圍從約20至約70的量子阱。
2.如權利要求1所述的方法，其中最大發射強度與約50的量子阱寬度相關聯。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述量子阱具有52的最佳寬度。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述GaN層的電阻性質會防止在室溫下進行能帶邊緣發射，從而只從所述量子阱發射。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述GaN層為非極性a-平面GaN層且所述襯底為一r-平面襯底。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述襯底為一藍寶石襯底。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述生長步驟(a)包括(1)對所述襯底進行退火；(2)在所述襯底上沉積一基于氮化物的成核層；(3)在所述成核層上生長所述GaN層；及(4)在氮氣過壓下對所述GaN進行冷卻。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述生長步驟是通過一種選自由下列方法組成的群組的方法來實施有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)，分子束外延(MBE)，液相外延(LPE)，氫化物氣相外延(HVPE)，升華，及等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)。
9.一種裝置，其是使用如權利要求1所述的方法制成。
10.一種氮化物半導體裝置，其中所述氮化物半導體裝置是使用一包括如下步驟的方法而形成(a)在一襯底上生長一個或多個氮化鎵(GaN)層；及(b)在所述(GaN)層上生長一個或多個非極性(Al，B，In，Ga)N層，以形成至少一個寬度范圍從約20至約70的量子阱。
11.一種氮化物半導體裝置，其包括(a)在一襯底上生長的一個或多個氮化鎵(GaN)層；及(b)由在所述(GaN)層上生長的一個或多個非極性(Al，B，In，Ga)N層所形成的一個或多個量子阱，其中所述量子阱具有介于約20至約70之間的寬度。
全文摘要
本發明公開一種制作非極性a－平面GaN/(Al，B，In，Ga)N多量子阱(MQW)的方法。a－平面MQW通過有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)在適當的GaN/藍寶石模板層上生長，阱寬度范圍介于20至70之間。來自a－平面MQW的室溫光致發光(PL)發射能量遵循一使用自相容泊松薛定諤(self－consistent Poisson－Schrodinger，SCPS)計算來建模的方阱趨勢。在a－平面MQW的量子阱寬度為52時獲得最佳PL發射強度。
文檔編號H01L29/20GK1894771SQ200380110999
公開日2007年1月10日 申請日期2003年12月11日 優先權日2003年4月15日
發明者邁克爾·D·科雷文, 斯蒂芬·P·登巴爾斯 申請人:加利福尼亞大學董事會, 獨立行政法人科學技術振興機構