[发明专利]MOVCD生长氮化物外延层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化镓(GaN)为基的III-V族氮化物材料的有机金属气象淀积(MOCVD)外延生长方法，尤其是涉及氮化物多量子发光二极管结构外延片的生长方法。

背景技术

以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg＝3.4eV)、高热导率、高硬度、高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在固态照明、固体激光器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。按中国2002年的用电情况计算，如果采用固态照明替代传统光源，一年可以省下三峡水电站的发电量，有着巨大的经济、环境和社会效益；而据美国能源部测算，到2010年，全美半导体照明行业产值将达500亿美元。在光信息存储方面，以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。正因为这些优点，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品化。

目前，以GaN为基的半导体材料和器件的外延生长最主要、最有效和最广泛的是MOCVD技术。在利用MOCVD生长氮化物(GaN、AIN、InN及其它们的合金)技术中，由于没有与氮化镓晶格匹配的衬底材料，通常采用蓝宝石为衬底的异质外延。由于在蓝宝石和氮化物之间存在大的晶格失配(～13.8％)和热膨胀系数的差异，使得生长没有龟裂、表面平整的高质量氮化物非常困难。现已证实最有效的外延生长通常采用两步外延方法。(参见图1所示)如中国发明专利公开说明书CN1508282公开了这种方法，首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底加热到1200℃，氢气下高温处理，然后温度降低到490-550℃生长GaN成核层，其后，将生长温度升高到1100-1180℃对成核层进行退火，退火后，在最后的退火温度下，通过线性变化TMGa的流量，开始变速率外延生长GaN缓冲层，在这之后，匀速生长一厚度为2-4微米的GaN缓冲层，在该缓冲层上外延生长器件结构，并通过在其上生长InGaN/GaN多量子阱LED结构，对变化速率进行了优化。

但是，该工艺在生长过程中，蓝宝石衬底表面易形成损伤层及污染，从而降低外延片的质量。

鉴于此，有必要提供一种新的工艺方法克服上述缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法，可以更好地清除蓝宝石表面的损伤层及其表面的污染，也可以在蓝宝石表面腐蚀出纳米量级的微坑，这些微坑对改善外延层的质量有好处，更重要的是可以增加LED的出光效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用MOCVD生长氮化物外延层方法，它采用MOCVD技术，利用高纯NH₃做N源，高纯H₂或N₂做载气，三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)和三甲基铝(TMAl)分别做Ga源和In源和Al源；衬底为蓝宝石(Al₂O₃)；其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底加热到500℃和900℃之间，用H₂或N₂气作载气，通入三甲基镓(TMGa)和NH₃在蓝宝石表面生长一GaN牺牲层；其厚度在10纳米到200纳米之间；

步骤二，GaN牺牲层生长完毕之后，停止向反应室通入三甲基镓(TMGa)，继续向反应室通入NH₃，继续向反应室通入H₂或N₂气，同时将生长温度升高到1100℃以上；

步骤三，当生长温度升高到1100℃以上的某一设定的温度之后，停止向反应室通入NH₃，只向反应室通入H₂或H₂和N₂的混合气，使GaN牺牲层分解，同时和蓝宝石表面发生反应；

步骤四，在H₂气氛下或H₂和N₂的混合气氛下或N₂气氛下，把MOCVD反应室温度降低至500℃到900℃的某一设定温度，通入三甲基镓(TMGa)和NH₃生长GaN成核层，其厚度控制在10纳米到50纳米之间；