生长高铝III族氮化物的方法、MOCVD设备及制备紫外LED的应用与流程

本发明涉及半导体，特别涉及一种生长高铝iii族氮化物的方法和mocvd设备，以及该方法在制备紫外发光器件(led)方面的应用。

背景技术：

1、mocvd(metal-organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉积)是基于晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延的生长技术。mocvd设备是利用mocvd技术在衬底的表面沉积薄膜的设备。

2、iii族氮化物由于带隙覆盖范围广，并且是直接带隙，被广泛用于制造发光器件及光探测器件。采用mocvd设备制备紫外发光led时，紫外发光led常采用alxga1-xn作为发光材料，其中al组分高达30％以上，并且为了提高alxga1-xn的质量，目前都是先生长高质量的aln外延层，然后再在aln外延层上进行algan的外延生长。但是制备紫外发光led的过程中，存在用于外延生长aln和algan的iii族源气体和v族源气体容易发生预反应(强烈的气相寄生反应，会形成纳米颗粒)的问题，这会影响iii族源气体和v族源气体的使用效率和外延层的质量，最终影响紫外发光led器件的发光效率及寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种生长高铝iii族氮化物的方法和mocvd设备及该方法的应用，以尽可能抑制iii族源气体和v族源气体在到达衬底表面之前的预反应，提高源气体的使用效率，以及外延层的生长速度和质量，并提高紫外发光led的发光性能。

2、为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种生长高铝iii族氮化物的方法，所述高铝iii族氮化物中的铝元素在iii族元素中所占的比例在30％以上，所述方法包括以下步骤：将衬底转移到mocvd设备的腔体中。在所述腔体中提供iii族源气体和v族源气体，以在所述衬底上外延生长所述高铝iii族氮化物，其中，所述iii族源气体在所述mocvd设备的气体喷淋头的出气口处的流速uiii是所述v族源气体在所述气体喷淋头的出气口处的流速uv的20倍～60倍。

4、可选地，所述高铝iii族氮化物为aln。

5、可选地，流速uiii是流速uv的20倍～30倍。

6、可选地，流速uiii是流速uv的24倍。可选地，所述高铝iii族氮化物为alxgayin(1-x-y)n，其中0.3≤x＜1，y≥0，0.3≤x+y≤1。

7、可选地，流速uiii是流速uv的30倍～60倍。

8、可选地，流速uiii是流速uv的59倍。

9、可选地，调节所述气体喷淋头和用于支撑所述衬底的基座之间的距离h，增大所述距离h时，提高流速uiii相对于流速uv的比值；减小所述距离h时，降低流速uiii相对于流速uv的比值。

10、另一方面，本发明还提供一种采用上述方法生长高铝iii族氮化物的mocvd设备，包括：

11、腔体，基座，其设置在所述腔体的内部，用于承载衬底；气体喷淋头，其设置在所述腔体的顶部，与所述基座相对设置，用于向所述腔体内独立通入iii族源气体和v族源气体，以在所述衬底上生长高铝iii族氮化物，所述高铝iii族氮化物中的铝元素在iii族元素中所占的比例在30％以上。流速控制模块，所述流速控制模块用于将所述iii族源气体在所述气体喷淋头的出气口处的流速uiii控制为所述v族源气体在所述气体喷淋头的出气口处的流速uv的20倍～60倍。

12、可选地，所述气体喷淋头的出气口与所述基座的上表面之间的距离为30mm～50mm。

13、可选地，所述气体喷淋头包括第一扩散腔，其内通入所述iii族源气体；

14、第二扩散腔，其设置在所述第一扩散腔下方，其内通入所述v族源气体；第一气体通道，其贯穿所述第二扩散腔，连通所述第一扩散腔和所述腔体，用于将所述iii族源气体导入所述腔体内。第二气体通道，其连通所述第二扩散腔和所述腔体，用于将所述v族源气体导入所述腔体内。

15、可选地，所述第一气体通道的出气口的口径小于所述第二气体通道的出气口的口径。

16、可选地，所述第二气体通道的出气口的口径从靠近所述第二扩散腔到远离所述第二扩散腔的方向逐渐变大。

17、可选地，所述流速控制模块包括质量流量控制器。

18、再一方面，本发明还提供一种制备紫外发光器件的方法，所述方法包括以下步骤：步骤s1，将衬底转移到mocvd设备的腔体中。步骤s2，在所述腔体中提供iii族源气体和v族源气体，所述iii族源气体在所述mocvd设备的气体喷淋头的出气口处的流速uiii是所述v族源气体在所述气体喷淋头的出气口处的流速uv的20倍～60倍，以在所述衬底上依次外延生长aln模板层、n型algan层、algan多量子阱层、p型algan电子阻挡层和p型algan空穴传导层，其中所述n型algan层、algan多量子阱层和p型algan电子阻挡层中的铝元素在iii族元素中所占的比例在30％以上。步骤s3，在所述p型algan空穴传导层上生长p型gan层。

19、可选地，在所述步骤s2中，生长各aln外延层时，流速uiii是流速uv的20倍～30倍。

20、可选地，流速uiii是流速uv的24倍。

21、可选地，在所述步骤s2中，生长各algan外延层时，流速uiii是流速uv的30倍～60倍。

22、可选地，流速uiii是流速uv的59倍。

23、可选地，在外延生长aln模板层和n型algan层的步骤之间还包括生长aln/algan超晶格应力缓冲层的步骤。

24、其他方面，本发明还提供一种紫外发光器件，采用如上文所述的方法制备。

25、本发明至少具有以下有益效果：

26、本发明通过将iii族源气体在mocvd设备的气体喷淋头的出气口处的流速uiii调节至所述v族源气体在所述气体喷淋头的出气口处的流速uv的20倍～60倍，由此可以降低iii族源气体和v族源气体的预反应，提高源气体的使用效率。此外，还能够提高iii族氮化物的生长速度和质量，抑制紫外发光led中的缺陷发光，提高紫外发光led的发光性能。

技术特征：

1.一种生长高铝iii族氮化物的方法，所述高铝iii族氮化物中的铝元素在iii族元素中所占的比例在30％以上，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高铝iii族氮化物为aln。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，流速uiii是流速uv的20倍～30倍。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，流速uiii是流速uv的24倍。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高铝iii族氮化物为alxgayin(1-x-y)n，其中0.3≤x＜1，y≥0，0.3≤x+y≤1。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，流速uiii是流速uv的30倍～60倍。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，流速uiii是流速uv的59倍。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调节所述气体喷淋头和用于支撑所述衬底的基座之间的距离h，增大所述距离h时，提高流速uiii相对于流速uv的比值；减小所述距离h时，降低流速uiii相对于流速uv的比值。

9.一种采用如权利要求1-8任一所述的方法生长高铝iii族氮化物的mocvd设备，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的mocvd设备，其特征在于，所述气体喷淋头的出气口与所述基座的上表面之间的距离为30mm～50mm。

11.如权利要求9所述的mocvd设备，其特征在于，所述气体喷淋头包括第一扩散腔，其内通入所述iii族源气体；

12.如权利要求11所述的mocvd设备，其特征在于，所述第一气体通道的出气口的口径小于所述第二气体通道的出气口的口径。

13.如权利要求12所述的mocvd设备，其特征在于，所述第二气体通道的出气口的口径从靠近所述第二扩散腔到远离所述第二扩散腔的方向逐渐变大。

14.如权利要求9所述的mocvd设备，其特征在于，所述流速控制模块包括质量流量控制器。

15.一种制备紫外发光器件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述步骤s2中，生长各aln外延层时，流速uiii是流速uv的20倍～30倍。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，流速uiii是流速uv的24倍。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述步骤s2中，生长各algan外延层时，流速uiii是流速uv的30倍～60倍。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，流速uiii是流速uv的59倍。

20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在外延生长aln模板层和n型algan层的步骤之间还包括生长aln/algan超晶格应力缓冲层的步骤。

21.一种紫外发光器件，其特征在于，所述紫外发光器件采用权利要求17～19中任意一项所述的方法制备。

技术总结
本发明公开了一种生长高铝III族氮化物的方法和MOCVD设备，以及该方法在制备紫外发光器件方面的应用，所述高铝III族氮化物中的铝元素在III族元素中所占的比例在30％以上，所述方法包括：将衬底转移到MOCVD设备的腔体中；在腔体中提供III族源气体和V族源气体，以在衬底上外延生长高铝III族氮化物，其中，III族源气体在MOCVD设备的气体喷淋头的出气口处的流速U<subgt;III</subgt;是V族源气体在气体喷淋头的出气口处的流速U<subgt;V</subgt;的20倍～60倍。本发明能够降低III族源气体和V族源气体在到达衬底表面之前的预反应，还能够提高III族氮化物的生长速度和质量，提高紫外发光LED的发光性能。

技术研发人员：胡建正,闫龙,王文,郭世平
受保护的技术使用者：中微半导体设备（上海）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/6/11