[发明专利]基于氮化镓的生长半导体异质结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料和半导体器件的制造方法，更具体地讲，涉及通过有机金属气相外延(又称OMVPE)来制造第三族元素氮化物的非极性外延异质结构(又称A³N结构)，A³N结构通常用于诸如激光器、发光二极管(LED)尤其是白色LED的器件。

背景技术

A³N半导体异质结构是用来设计和制造在辐射光谱的可见部分和紫外部分内高效发光二极管和激光器(包括白色LED)的基本材料。

在参考文献[1]中，首次提出了用原料(stocks)磷光体来覆盖这些结构，从而将GaN-MIS结构的深蓝和/或紫外辐射转换成处于光谱的可见部分的波长较长的辐射。

在参考文献[2]中，已经提出了基于被钇-铝-石榴石磷光体覆盖的深蓝p-nAlGaInN异质结构发射器来设计白色发光二极管。发射器的初级深蓝辐射的一部分被转换成磷光体的黄色辐射。结果，来自发射器的蓝色辐射和通过磷光体中的蓝色辐射产出的互补的黄色荧光的混合通过LED生成具有一定色坐标的白光。

白色发光二极管的本质上互不相同的三种基本设计如下:

-基于深蓝色荧光体的发射器的发光二极管，其中，该发射器由将深蓝辐射的一部分转换成黄色辐射的原料磷光体的层覆盖；

-基于紫外辐射的发射器的发光二极管，其中，该发射器由将紫外辐射转换成荧光体的红色波段荧光、绿色波段荧光和深蓝色波段荧光(RGB系统)的原料磷光体的层覆盖；

-包含三个单独的发射器的全彩色发光二极管，其中，三个单独的发射器在光谱的红色部分、绿色部分和深蓝色部分(RGB系统)进行辐射。

不管有何区别，所有列出类型的白色发光二极管的参数的改进都要求完善外延A³N-异质结构生长的方法和增加磷光体的辐射的量子输出。

为了批量生产发光二极管，制造A³N-异质结构的最优选的方法是有机金属气相外延(OMVPE)法。

蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(6H-SiC)、氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)用作A³N外延结构生长的基底。使用最多的是较为便宜的蓝宝石基底。碳化硅基底往往比蓝宝石基底昂贵，因此并不是经常使用。理想的基底可以是由GaN或AlN制成的基底，但是尚未实现它们的批量生产。

普通的用于发光二极管的A³N-异质结构包含下列功能部分:

●蓝宝石或碳化硅的单晶基底，该基底的表面是限定A³N外延层的晶型的c晶面(0001)，例如，限定A³N外延层的纤锌矿型晶体结构和晶格的方位角取向的c晶面；

●宽带隙发射器，通常为n型和p型Al_xGa_1-xN层，提供电子和空穴的有效注入，并将电子和空穴限制在异质结构的有源区内；

●有源区，通常包含诸如通常没有被特别掺杂的In_xGa_1-xN合金的材料的一组窄带隙层；

●n型和p型导电的接触外延GaN层，在器件的截面部分提供均匀分布的电流密度和低比电阻的欧姆接触。

在各种器件中使用的A³N-外延异质结构中，具体地讲，在发光二极管和激光器中，缺陷(位错、堆积缺陷等)的密度还有机械应力的水平应当尽可能低。例如，GaAs激光器异质结构的位错密度值通常不超过10²-10³cm^-2。

在A³N异质结构中，基本存在两种缺陷源，其一是关于基底和A³N外延层的晶格参数的差异，其二是关于异质结构内部的层(例如，GaN层和Al_xGa_1-xN层之间或者GaN层和In_xGa_1-xN层之间)的晶格参数的不匹配。对于GaN基底或AlN基底的情形，第一缺陷源的分布减少，而第一缺陷源的分布与第二缺陷源的分布相当。