外延片量子阱結構的制備方法
【專利摘要】本發明提出一種外延片量子阱結構的制備方法，包括：提供襯底；在襯底之上形成本征氮化鎵層；在本征氮化鎵層之上形成第一類型的氮化鎵層；在第一類型的氮化鎵層之上形成氮化鎵/銦鎵氮的量子阱結構，其中，氮化鎵量子壘在第一溫度、第一壓強條件下、第一氣氛中形成，銦鎵氮量子阱在第二溫度、第二壓強下、第二氣氛中形成；在阻擋層之上形成第二類型的氮化鎵層，其中，第一溫度高于第二溫度，第一壓強高于第二壓強，第一氣氛的氣體比熱容低于第二氣氛的氣體比熱容。本發明具有溫度轉換快，生產效率高，所得到的量子阱質量好的優點。
【專利說明】外延片量子阱結構的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體制造領域，具體涉及一種外延片量子阱結構的制備方法。
【背景技術】
[0002]多量子阱(MQWs)是LED發光二極管中一個重要結構，由量子阱和量子壘周期性交替組成。目前商業化GaN基LED外延片均采用較為昂貴的金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)設備生產。在GaN基LED外延生長過程中，由于InGaN量子阱和GaN量子壘生長溫度存在差別，在交替生長兩種材料時MOCVD設備需花較多的時間實現溫度轉換，如何縮短MQffs生長過程中的溫度轉換時間，以提高GaN基LED外延片生產效率是一個重要的研究方向。
【發明內容】
[0003]本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。為此，本發明的目的在于提出一種能夠縮短量子阱生長時間，提高設備產能的外延片量子阱結構的制備方法。
[0004]根據本發明實施例的外延片量子阱結構的制備方法，包括以下步驟:提供襯底；在所述襯底之上形成本征氮化鎵層；在所述本征氮化鎵層之上形成第一類型的氮化鎵層；在所述第一類型的氮化鎵層之上形成氮化鎵/銦鎵氮的量子阱結構，其中，氮化鎵量子壘在第一溫度、第一壓強條件下、第一氣氛中形成，銦鎵氮量子阱在第二溫度、第二壓強下、第二氣氛中形成；在所述量子阱結構之上形成第二類型的氮化鎵層，其中，所述第一溫度高于所述第二溫度，所述第一壓強高于第二壓強，所述第一氣氛的氣體比熱容低于所述第二氣氛的氣體比熱容。
[0005]在本發明的一個實施例中，所述第一氣氛為氦氣，所述第二氣氛為氮氣。
[0006]在本發明的一個實施例中，所述第一氣氛為氦氮混合氣體，所述第二氣氛為氮氣。
[0007]在本發明的一個實施例中，還包括:在所述第一類型的氮化鎵層與所述量子阱結構之間形成應力釋放層。
[0008]在本發明的一個實施例中，所述應力釋放層為交替生長的多層銦鎵氮子層和多層氮化鎵子層的超晶格結構。
[0009]在本發明的一個實施例中，每層所述氮化鎵子層厚度為15nm-85nm，每層所述銦鎵氮子層厚度為lnm-20nm。
[0010]在本發明的一個實施例中，還包括:在所述量子阱結構與所述第二類型的氮化鎵層之間形成阻擋層。
[0011]在本發明的一個實施例中，重復η次所述形成氮化鎵/銦鎵氮的量子阱結構的步驟，以形成多量子阱結構，其中2 < η < 25。
[0012]在本發明的一個實施例中，所述第一溫度為8 O (TC -9 O (TC，所述第二溫度為700 V -800。。。[0013]在本發明的一個實施例中，所述第一壓強為300mbr-500mbr,所述第二壓強為100mbr-300mbr,且所述第一壓強與第二壓強的差為100mbr-400mbr。
[0014]在本發明的一個實施例中，所述阻擋層材料為鋁鎵氮，厚度為20nm-60nm。
[0015]根據本發明實施例的外延片量子阱結構的制備方法，采用金屬有機物化學氣象沉積法(M0CVD)，通過改變的載氣種類及反應壓力的手段，來迅速改變外延層表面溫度，提高量子阱晶體質量，縮短量子阱生長時間，以達到提高設備產能的目的。
[0016]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0018]圖1是本發明實施例的外延片量子阱結構的制備方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0020]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0021]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0022]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0023]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，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觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。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，或僅僅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，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0024]如圖1所示，本發明實施例的外延片量子阱結構的制備方法包括:[0025]S1.提供襯底。具體地，襯底為藍寶石圖形襯底，藍寶石圖形襯底是生長氮化鎵基半導體的常用襯底。
[0026]S2.在襯底之上形成本征氮化鎵層。具體地，在還原性的氫氣載氣下，在襯底上形成不摻雜的氮化鎵層。
[0027]S3.在本征氮化鎵層之上形成第一類型的氮化鎵層。具體地，在還原性的氫氣載氣下，生長第一類型的氮化鎵層為摻硅的η型氮化鎵。需要說明的是，在也可以為摻鎂的P型氮化鎵。
[0028]S4.在第一類型的氮化鎵層之上形成應力釋放層。具體地，在氮氣載氣下，交替地生長多層銦鎵氮子層和多層氮化鎵子層的超晶格結構，其中，每層所述氮化鎵子層厚度為15nm-85nm,每層所述銦鎵氮子層厚度為lnm_20nm。該應力釋放層能釋放前面結構帶來的應力，有益于提高即將生長的量子阱結構晶體質量，從而提升外延片的內部量子效率。需要說明的是，本步驟為優選步驟而非必須的。
[0029]S5.在應力釋放層之上形成氮化鎵/銦鎵氮(GaN/InGaN)的量子阱結構，其中，氮化鎵量子壘在第一溫度、第一壓強條件下、第一氣氛中形成，銦鎵氮量子阱在第二溫度、第二壓強下、第二氣氛中形成。其中，第一溫度高于第二溫度，第一壓強高于第二壓強，第一氣氛的氣體熱導率高于第二氣氛的氣體熱導率。該步驟可以重復η次，以形成多層量子阱的超晶格結構。其中，上述的“氣氛”的概念即指載氣的類型。具體地:
[0030]生長完應力釋放層后，先將載氣切換成純氦氣或者氦氮混合氣體，反應腔壓力穩定在300mbr-500mbr之間，調節反應腔加熱源溫度，使外延片表面溫度迅速穩定在8000C -900°C，開始通入三乙基鎵和NH3生長氮化鎵量子壘。
[0031]生長氮化鎵量子壘之后、生長銦鎵氮量子阱開始前，將載氣切換為氮氣，反應腔壓力穩定在100mbr-300mbr，且要求生長氮化鎵量子壘時的載氣壓力與生長銦鎵氮量子點時的載氣壓力之差為100mbr-400mbr，調節反應腔加熱源溫度，使外延片表面溫度迅速穩定在7000C _800°C，開始通入三乙基鎵、NH3與三甲基銦生長銦鎵氮量子阱。
[0032]以上不同生長階段采用不同工藝條件的選擇依據如下:
[0033](I)由于氮化鎵材料的最佳晶體生長溫度高于銦鎵氮材料，故需設定第一溫度高于第二溫度。
[0034](2)氦氣為單原子氣體、氮氣為雙原子氣體，根據物理化學數據氦氣的摩爾比熱容低于氮氣的摩爾比熱容(定壓摩爾比熱容和定容摩爾比熱容均是如此)。
[0035]當切換到升溫生長氮化鎵量子壘的步驟時，由于在固定加熱絲功率的前提下，在氦氣受熱升溫比氮氣受熱升溫更明顯，能夠更快地加熱達到預設溫度，故應選用易于加熱升溫的純氦氣或氦氮混合氣體的氣氛。相反地，當切換到降溫生長銦鎵氮量子阱的步驟時，由于氮氣的比熱容更大，能夠吸收更多的熱量、更快地降低腔室溫度，故應選用氮氣氛圍。需要說明的是，第一氣氛采用純氦氣的縮短加熱時間的效果更明顯，但采用氦氮混合氣體的成本更低，實際情況可根據需要選用。
[0036](3)腔室壓力較大時，參與熱交換的氣體分子較多，分子自由程變短，氣體與晶體表面達到熱平衡的溫度較高，有助于晶體表面溫度迅速升高；腔室壓力較小時，參與熱交換的氣體分子減少，分子自由程變高，氣體與晶體表面達到熱平衡的溫度變低，有助于晶體表面溫度迅速降低。故需設定第一壓強大于第二壓強。但第一壓強與第二壓強相差不宜過大，以免氣壓增減的切換過程耗時過多，二者的差值宜控制在一定范圍內。
[0037]在本發明的一個優選實施例中，可重復η次生長上述氮化鎵/銦鎵氮的量子阱方案，即重復η次步驟S5，以形成多層量子阱結構，其中，2 < η ( 25。
[0038]S6.在量子阱結構之上形成阻擋層。具體地，該阻擋層為鋁鎵氮，厚度為20nm-60nm。阻擋層的位置一般在量子阱結構上方，能夠有效的阻擋電子從有源區溢出，從而增加有源區電子的數量，提高量子阱層的載流子復合效率，提升LED芯片發光效率。需要說明的是，本步驟為優選步驟而非必須的。
[0039]S7.在阻擋層之上形成第二類型的氮化鎵層。具體地，當步驟S3中的第一類型的氮化鎵層為η型氮化鎵時，生長P型氮化鎵；當步驟S3中的第一類型的氮化鎵層為P型氮化鎵時，生長η型氮化鎵，其中，第二類型的氮化鎵層的厚度為150nm到300nm。
[0040]本發明利用改變氣體氛圍和反應壓力的方法，能實現不同溫度的迅速轉換，有效降低MQWs的生長時間，并且量子阱在低壓環境下生長，能提高量子阱的晶體質量，顯著降低發光波長半波寬，增加內量子效率。
[0041]流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個或更多個用于實現特定邏輯功能或過程的步驟的可執行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發明的優選實施方式的范圍包括另外的實現，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序，來執行功能，這應被本發明的實施例所屬【技術領域】的技術人員所理解。
[0042]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0043]盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種外延片量子阱結構的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供襯底； 在所述襯底之上形成本征氮化鎵層； 在所述本征氮化鎵層之上形成第一類型的氮化鎵層； 在所述第一類型的氮化鎵層之上形成氮化鎵/銦鎵氮的量子阱結構，其中，氮化鎵量子壘在第一溫度、第一壓強條件下、第一氣氛中形成，銦鎵氮量子阱在第二溫度、第二壓強條件下、第二氣氛中形成； 在所述量子阱結構之上形成第二類型的氮化鎵層， 其中，所述第一溫度高于所述第二溫度，所述第一壓強高于第二壓強，所述第一氣氛的氣體比熱容低于所述第二氣氛的氣體比熱容。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一氣氛為氦氣，所述第二氣氛為氮氣。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一氣氛為氦氮混合氣體，所述第二氣氛為氮氣。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括:在所述第一類型的氮化鎵層與所述量子阱結構之間形成應力釋放層。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述應力釋放層為交替生長的多層銦鎵氮子層和多層氮化鎵子層的超晶格結構。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，每層所述氮化鎵子層厚度為15nm-85nm，每層所述銦鎵氮子層厚度為lnm-20nm。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括:在所述量子阱結構與所述第二類型的氮化鎵層之間形成阻擋層。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，重復η次所述形成氮化鎵/銦鎵氮的量子阱結構的步驟，以形成多量子阱結構，其中2 < η < 25。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一溫度為800°C-900°C，所述第二溫度為 700 °C -800 °C。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一壓強為300mbr-500mbr,所述第二壓強為100mbr-300mbr,且所述第一壓強與第二壓強的差為100mbr-400mbr。
11.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述阻擋層材料為鋁鎵氮，厚度為20nm_60nmo
【文檔編號】H01L33/06GK103840044SQ201210491167
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月27日 優先權日:2012年11月27日
【發明者】肖懷曙 申請人:比亞迪股份有限公司