СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ InGaN ПОСРЕДСТВОМ ПЛАЗМЕННОГО МВЕ Российский патент 2009 года по МПК H01L21/205 

Предпосылки изобретения

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к способу выращивания многослойной структуры на основе InGaN, в котором плазменная молекулярно-пучковая эпитаксия (РА МВЕ) применяется для выращивания многослойной структуры на основе InGaN, например, структуры с квантовой ямой InGaN/GaN с высокой скоростью и воспроизводимостью.

Описание уровня техники

Светоизлучающее устройство на основе нитрида элемента III группы, работающее в зелено-синем и ближнем УФ спектральных диапазонах, может успешно применяться для излучения белого света, полноцветных дисплеев и автомобильного освещения. Для массового производства таких светоизлучающих устройств на основе нитрида элемента III группы, в основном, используется эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD).

Другие методы эпитаксиального выращивания светоизлучающей структуры на основе нитрида элемента III группы включают в себя молекулярно-пучковую эпитаксию (МВЕ), которая предусматривает два разных способа активации азота. Согласно одному из способов аммиак разлагается при высокой температуре на подложке аналогично MOCVD. Согласно другому способу молекулярный азот активируется в плазме, генерируемой внутри удаленного источника плазмы особой конструкции (активатор азота), который называется PA MBE.

Два способа MBE, в целом, имеют преимущество в том, что потребляется относительно малое количество материала и эпитаксиальное выращивание осуществляется при более низкой температуре, чем для MOVPE. Помимо таких экономических достоинств эти способы сопровождаются другими преимуществами. Таким образом, сверхнизкое давление газа в реакторе выращивания исключает паразитные реакции в газовой фазе. Низкая температура роста позволяет выращивать соединение на основе нитрида элемента III группы с низкой температурой дислокаций (In_xGa_1-xN с высоким х вплоть до х=1). Кроме того, способы предусматривают использование подложки, имеющей низкую температуру разложения, например, подложку, выполненную из пластичных или органических материалов, и подложку, выполненную из GaAs или ZnO.

Важнейшие преимущества РА МВЕ таковы. Во-первых, поток F_N* активированного азота N* можно генерировать независимо от температуры подложки Ts. Во-вторых, водород и аммиак отсутствуют в среде эпитаксиального выращивания. Кроме такого преимущества экологической безопасности, РА МВЕ позволяет избавиться от необходимости в обработке после выращивания (необходимый процесс в MOCVD) для активации присадки Mg. Кроме того, РА МВЕ позволяет использовать ячейку Кундсена более простой конструкции и традиционный насос UHV (сверхвысокого вакуума).

В течение многих лет главным камнем преткновения для РА МВЕ была недостаточная эффективность активации азота и низкая максимальная скорость роста (˜0,1 мкм/ч). Однако в конце 1999 г. эта проблема была решена благодаря разработке РЧ плазменных активаторов азота с индуктивной связью. В настоящее время большинство типов активаторов азота выдает поток активированного азота F_N* вплоть до значения, соответствующего максимальной скорости роста свыше 1 мкм/ч.

Фактически появилась возможность для выращивания соединения на основе нитрида элемента III группы посредством МВЕ в разных стехиометрических условиях от обогащения азотом (V/III>1) до обогащения элементом III группы (V/III<1). РА МВЕ при условии обогащения азотом характеризуется грубой наностолбчатой морфологией слоев. Тем временем РА МВЕ при условии обогащения элементом III группы гарантирует гладкую поверхность слоев. Кроме того, Хеинг (Heying) и др. сообщили в "Journal of Applied Physics", т.88, стр.1855-1860 (2000), что существует технологическое окно (т.е. диапазон изменения потока элемента III группы для определенной температуры подложки) для достижения атомически гладкой поверхности без металлических микрокапель. Возможный рост соединения на основе нитрида элемента III группы в стехиометрических условиях обогащения элементом III группы (N-ограничения) своеобразен для РА МВЕ и отличается от других технологий.

Некоторые группы изучили кинетику включения индия (In) в процессе РА МВЕ для формирования слоя In_xGa_1-xN. Пионерская публикация Ботчера (Т.Botcher) и др. в "Applied Physics Letters", т.73, стр.3232-3234 (1994) сообщает результаты экспериментов с включением In по отношению к различным отношениям потоков In/Ga. Согласно этому документу максимально возможное содержание In X_max определяется избытком потока активированного азота N* над потоком Ga X_max=1-F_Ga/F_N*. Таким образом, при более высоком содержании In поток Ga F_Ga должен быть меньше, чем поток N* F_N*. Кроме того, показано, что In - коэффициент прилипания α_In равен 0,16 при Ts=650°C, где α_In - это отношение включенных атомов In к обеспеченным атомам In. Коэффициент прилипания для Ga α_Ga равен 1 при этой температуре подложки. Таким образом, GaN имеет более высокую энергию связи, чем InN. Это значит, что, во-первых, весь имеющийся Ga включается, и, во-вторых, In включается, пока не достигается стехиометрическое равновесие. Эти идеи получили подтверждение и развитие в статье Адельмана (С.Adelmann) в Applied Physics Letters, т.75, стр.3518-3520 (1999). В этом документе показано, что повторным испарением In (т.е. α_In=1) при Ts=600°C можно пренебречь. Кроме того, О′Стин (M.L.O′Steen) и др. в Applied Physics Letters, т.75, стр.2280-2282 (1999) показали, что в узком температурном диапазоне от 590 до 670°С, с увеличением Ts, х снижается на порядок величины, т.е. сильно зависит от Ts. Таким образом, это говорит о важности процесса повторного испарения In в диапазоне Ts (>600°С).

Некоторые исследователи пытались разработать феноменологические модели для описания включения In. Во-первых, согласно публикации Чена (Н.Chen) в MRS Internet Journal Nitride Semiconductor Research, т.6, 11 (2001) авторы описали зависимость включения In от Ts и отношения III/N. При этом они использовали свои экспериментальные данные о включении In в сплавы InGaN, имеющие полярности (0001) и (000-1). Они обнаружили, что существуют две разные области стехиометрических условий, т.е. обогащения азотом и обогащения элементом III группы. В первом случае при F_Ga+α_InF_In<F_N*, где F_In обозначает поток In, включение In, главным образом, определяется Ts и зависит от отношения III/N. Кроме того, включение In функционально увеличивается с ростом суммарного потока элемента III группы, когда In/Ga остается постоянным. Это выражается следующими соотношениями: х=α_InF_In/(F_Ga+α_InF_In) и α_In=const.

В области обогащения элементом III группы, заданной условием F_Ga+α_InF_In>F_N*, авторы продемонстрировали наличие стехиометрического предела. То есть они обнаружили, что включение In определяется отношением x=1-F_Ga/F_N* (что впервые предположил Ботчер и др.), наблюдая снижение х при увеличении суммарного потока элемента III группы. Таким образом, авторы предположили, что в случае слишком большого количества In избыток In будет испаряться или образовывать капли. К сожалению, им не удалось установить количественных условий для реализации каждого из этих процессов.

Другой теоретический подход к описанию включения In в In_xGa_1-xN был разработан Стормом (D.F.Storm) и опубликован в Journal of Applied Physics, т.89, стр.2452-2457 (2001). Этот теоретический подход имеет смысл, когда выращивание осуществляется только при условии обогащения азотом, т.е. F_Ga<F_N* и суммарный поток металла F_Ga+F_In меньше или чуть больше, чем F_N*.

Заметим, что во всех вышеописанных исследованиях поток F_N* поддерживали постоянным и только количество элементов III группы и Ts изменяли для изменения х.

Рост гетероструктур с квантовой ямой на основе InGaN был тщательно изучен группами, возглавляемыми Плугом (К. Ploog) и Спеком (J.Speck). Это было отражено в статье "Applied Physics Letters", т.83, стр.90-92 (2003), опубликованной Брандтом (О.Brandt). В статье авторы предложили модулировать стехиометрические условия для выращивания таких структур. Было показано, что условие обогащения азотом предпочтительнее для выращивания слоя квантовой ямы, тогда как условие обогащения элементом III группы пригодно для выращивания барьерного слоя. Кроме того, авторы предложили использовать сравнительно высокую температуру роста (>600°С) для подавления поверхностной сегрегации вследствие повторного испарения In из слоя роста InGaN.

Выращивание с модулированной стехиометрией при высокой Ts обеспечивает четкую границу раздела InGaN/GaN и ограничивает поверхностную сегрегацию, тем самым повышая эффективность излучательной рекомбинации структур с квантовой ямой, что подтверждается исследованием HRTEM, XRD и низкотемпературных спектров PL. В данном случае минимальную FWHM, равную 95 мэВ, для диапазона PL 2,766 эВ, измеряли при низкой температуре 5 К. Кроме того, этот подход позволил создать СИД с длиной волны 480 нм, который обладал выходной мощностью 0,87 мВт при токе 20 мА, о чем было сообщено Валтери (P.Waltrei) в "Applied Physics Letters", т.84, стр.2748-2750 (2004).

Для модуляции стехиометрических условий Плуг (К.Ploog) и др. изменяли массовый расход азота с 1 до 2 sccm, а Спек (J.Speck) и др. использовали двойные источники Ga, один из которых имел поток Ga вдвое больше другого. Основным недостатком предложенных способов модуляции стехиометрического условия является то, что аппарат МВЕ должен усложняться в случае использования двойных источников Ga (ячейки), и быстрое изменение состава трудно реализовать в силу некоторой задержки испарения ячейки Кунсена. Кроме того, используемая модуляция массового расхода азота является главным недостатком в отношении нелинейной зависимости выхода, интенсивности F_N* потока активированного пучка от массового расхода азота.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение призвано решить вышеизложенные проблемы уровня техники, и поэтому задачей настоящего изобретения является обеспечение способа выращивания многослойной структуры на основе InGaN, содержащего этапы, на которых подложку размещают в ростовой камере аппарата РА МВЕ, оборудованного активатором азота, для подготовки к выращиванию слоя нитрида элемента III группы и направляют поток активированного азота на подложку посредством активатора азота и одновременно направляют поток Ga и поток In на подложку для выращивания совокупности слоев на основе InGaN с разным содержанием In, тем самым формируя многослойную структуру на основе InGaN.

В указанном способе, на этапе формирования многослойной структуры на основе InGaN, изменяют РЧ-мощность активатора азота для изменения содержания In в слое на основе InGaN, одновременно поддерживая постоянными падающие потоки Ga и In и расход газообразного азота, подаваемого в активатор азота.

Согласно изобретению на этапе формирования многослойной структуры на основе InGaN содержание In в слое на основе InGaN повышается с увеличением РЧ-мощности активатора азота.

Поток активированного азота F_N* линейно зависит от РЧ-мощности при постоянном расходе азота. Таким образом, изменение РЧ-мощности приводит к линейному изменению F_N* в широком диапазоне скорости роста, заданной N. Диапазон определяется (i) конструкцией выходного отверстия РЧ плазменного элемента, (ii) суммарной производительностью насоса в ростовой камере, (iii) значением расхода азота и (iv) диапазоном подаваемой РЧ-мощности. Диапазон может превышать один порядок величины.

Согласно предпочтительному варианту осуществления на этапе формирования многослойной структуры на основе InGaN подложка имеет постоянную температуру. Согласно способу, отвечающему изобретению, между этапом подготовки к выращиванию слоя нитрида элемента III группы и этапом формирования многослойной структуры на основе InGaN могут дополнительно выращивать буферный слой нитрида элемента III группы, например, буферный слой GaN на подложке.

Предпочтительно на этапе формирования многослойной структуры на основе InGaN постоянные падающие поток Ga (F_Ga) и поток In (F_In) удовлетворяют следующим соотношениям:

F_Ga+F_In>F_N* и F_Ga<F_N*,

где F_Ga - поток Ga, F_In - поток In и F_N* - поток активированного азота.

В данном случае F_Ga ограничивает минимальную скорость роста слоя In_xGa_1-xN и F_N* ограничивает его максимальную скорость роста. Потоки Ga и In поступают на поверхность роста многослойной структуры на основе InGaN одновременно.

Предпочтительно на этапе формирования многослойной структуры на основе InGaN температуру подложки Ts выбирают так, чтобы поток испаренного In из расплава In был выше, чем падающий поток In (F_In). Пока используемое условие роста полностью не подавляет включение In в слой на основе InGaN (F_Ga≥F_N*), температура подложки Ts, выбранная вышеописанным образом, препятствует формированию капель In на поверхности роста.

Температура подложки Ts является главным фактором, определяющим эффективность α_In включения In в слой на основе InGaN. В данном случае эффективность α_In включения In определяется как отношение включаемого потока In к падающему потоку In. Повышение Ts в диапазоне от 590 до 650°С приводит к резкому снижению α_In. В то же время увеличение F_N*/(F_Ga+F_In) приводит к повышению α_In, хотя последний эффект значительно слабее. Предпочтительно температуру подложки Ts поддерживают постоянной в ходе выращивания всей многослойной структуры на основе InGaN.

В определенных выше условиях можно изменять состав слоя In_xGa_1-xN, включающего в себя многослойную структуру на основе InGaN, в широком диапазоне: от минимального х=0 при F_N*/F_Ga=1:1 до x=α_InF_N*/(α_InF_In+F_Ga) при F_N*/(α_InF_In+F_Ga)≥1 или x=1-F_Ga/F_N* при F_N*/(α_InF_In+F_Ga)<1. Потоки In, Ga и N* поступают одновременно на поверхность роста каждого составляющего слоя. РЧ-мощность активатора плазмы азота можно быстро модулировать только во время прерываний роста на границах раздела, тем самым варьируя х (содержание In) от слоя к слою.

Отношение F_N*/(α_InF_In+F_Ga) также определяет поверхностную стехиометрию слоя на основе InGaN. Таким образом, согласно способу, отвечающему изобретению, стехиометрические условия слоя на основе InGaN могут изменяться при малейшем отклонении от единицы отношения потоков N*/III*, т.е. F_N*/(α_InF_In+F_Ga)=1. Например, барьерный слой можно выращивать при условии обогащения элементом III группы, а слой квантовой ямы можно выращивать при условии обогащения азотом для улучшения его характеристик люминесценции.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предусмотрен способ выращивания многослойной гетероструктуры на основе InGaN с разными профилями содержания In, включая структуру InGaN/GaN с одной квантовой ямой, структуру InGaN/GaN с множественными квантовыми ямами, в более общем случае структуру с одной квантовой ямой или структуру с множественными квантовыми ямами, состав которой выражается формулой In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN (x>y), и гетероструктуры InGaN/GaN с управляемым градиентом распределения In.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения на этапе формирования структуры In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN (x>y) с одной квантовой ямой:

направляют поток активированного азота на подложку при первой РЧ-мощности активатора азота для формирования барьерного слоя, состав которого выражается формулой In_yGa_1-yN; и

направляют поток активированного азота на подложку при второй РЧ-мощности, превышающей первую РЧ-мощность, для формирования слоя квантовой ямы, состав которого выражается формулой In_xGa_1-xN, на барьерном слое In_yGa_1-yN. В данном случае барьерный слой In_yGa_1-yN состоит из GaN (или GaN:In) и слой квантовой ямы In_xGa_1-xN состоит из InGaN.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предусмотрен способ формирования структуры с множественными квантовыми ямами In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN (x>y), содержащий этапы, на которых:

направляют поток активированного азота на подложку при первой РЧ-мощности активатора азота для формирования барьерного слоя, состав которого выражается формулой In_yGa_1-yN;

направляют поток активированного азота при второй РЧ-мощности, превышающей первую РЧ-мощность, для формирования слоя квантовой ямы, состав которого выражается формулой In_xGa_1-xN, на барьерном слое In_yGa_1-yN; и

попеременно повторяют этап формирования барьерного слоя и этап формирования слоя квантовой ямы. В этом случае барьер In_yGa_1-yN может состоять из GaN (или GaN:In) и слой квантовой ямы In_xGa_1-xN может состоять из InGaN. По меньшей мере, одну из первой и второй РЧ-мощностей можно изменять для изменения содержания In в барьерном слое или слое квантовой ямы.

Согласно варианту осуществления изобретения многослойную структуру на основе InGaN создают со структурой с одной квантовой ямой, состав которой выражается формулой In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN, где х>y. В частности, многослойную структуру на основе InGaN создают со структурой InGaN/GaN с одной квантовой ямой.

Согласно другому варианту осуществления изобретения многослойную структуру на основе InGaN создают со структурой с множественными квантовыми ямами, состав которой выражается формулой In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN, где х>y. В частности, многослойную структуру на основе InGaN создают со структурой InGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

В этом описании изобретения "GaN:In" означает, что в GaN содержится пренебрежимо малое количество In (всего лишь легирующая присадка, не имеющая содержания In) и, таким образом, по существу, имеет тот же состав, что и "GaN". Поэтому в описании изобретения "GaN:In" является синонимом "GaN".

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные и другие задачи, признаки и другие преимущества настоящего изобретения можно лучше понять из нижеследующего подробного описания, приведенного совместно с прилагаемыми чертежами, в которых:

фиг.1 - гетероструктура InGaN/GaN, полученная способом выращивания, отвечающим изобретению, где фиг.1(а) - вид в разрезе гетероструктуры InGaN с одной квантовой ямой (SQW) и фиг.1(b) - вид в разрезе гетероструктуры с объемным InGaN слоем;

фиг.2(а) - график зависимости потока элемента III группы от температуры Ga эффузионной ячейки и фиг.2(b) - график зависимости потока элемента III группы от температуры In эффузионной ячейки;

фиг.3(а) - график зависимости интенсивности плазмы, сформированной в активаторе азота, от РЧ-мощности и фиг.3(b) - график зависимости интенсивности плазмы, сформированной в активаторе азота, от массового расхода N2;

фиг.4 - график зависимости максимальной скорости роста слоя GaN от РЧ-мощности активатора азота при постоянном массовом расходе N2, равном 5 см³/мин;

фиг.5 - график зависимости эффективности α_In включения In в слой InGaN от температуры подложки T_s и отношения потоков (N*/III=F_N*/(F_Ga+F_In));

фиг.6 - график последовательности прерывателей роста для выращивания структуры InGaN/GaN с одной квантовой ямой согласно варианту осуществления изобретения;

фиг.7 - изображения СЭМ в разрезе и сверху структуры InGaN/GaN, отвечающей изобретению;

фиг.7(а) и (b) - изображения СЭМ в разрезе и сверху структуры InGaN/GaN с одной квантовой ямой;

фиг.7(с) и (d) - изображения СЭМ в разрезе и сверху структуры InGaN/GaN, имеющей объемную структуру InGaN, сформированную на буферном слое GaN согласно условию роста одной квантовой ямы;

фиг.7(е) и (f) - изображения СЭМ в разрезе и сверху покровного слоя GaN:In соответственно;

фиг.8 - графическое представление спектра фотолюминесценции при комнатной температуре (возбужденной He-Cd лазером (200 нм)) структуры с одной квантовой ямой, выращенной согласно изобретению;

фиг.9(а) - графическое представление низкотемпературных спектров фотолюминесценции структуры InGaN/GaN с одной квантовой ямой и объемным слоем InGaN (200 нм), выращенным на буферном слое GaN в условиях роста одной квантовой ямы;

фиг.9(b) - графическое представление низкотемпературного спектра светоиспускания покровного слоя GaN:In;

фиг.10 - вид в разрезе, поясняющий процесс изготовления светоизлучающего устройства на основе нитрида элемента III группы согласно варианту осуществления изобретения и

фиг.11 - вид в разрезе, поясняющий процесс изготовления светоизлучающего устройства на основе нитрида элемента III группы согласно другому варианту осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Перейдем к более подробному описанию настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых показаны предпочтительные варианты осуществления изобретения. Однако это изобретение может быть реализовано во многих других формах и не предполагает ограничения вариантами осуществления, изложенными здесь. Напротив, эти варианты осуществления обеспечены для того, чтобы это раскрытие было полным и совершенным и полностью доносило объем изобретения до специалистов в данной области. На чертежах формы и размеры могут быть, для ясности, преувеличены и одни и те же позиции используются для обозначения одинаковых или сходных компонентов.

На фиг.1 показан схематический вид в разрезе, иллюстрирующий структуру пробного образца, выращенную для подтверждения возможности изменения включения In за счет изменения РЧ-мощности активатора азота. Все структуры, показанные на фиг.1(а) и фиг.1(b), были выращены в плоскости (0001) сапфировой подложки 101 с использованием аппарата РА МВЕ (Compact 21T доступного от Riber). Тыльная сторона подложки 101 была заранее покрыта слоем Ti 110 толщиной 0,2 мкм для обеспечения нагрева излучением. Подложка 101 была обезжирена в органическом растворителе. Затем подложку 101 отжигали в течение 3 часов при температуре подложки Ts, равной 800°С, в отдельной камере для выпаривания большинства остаточных загрязнений. После переноса подложки 101 в ростовую камеру ее подвергли окончательному отжигу в течение 1 часа при температуре подложки Ts, равной 800°С. Затем температуру подложки Ts снизили до 700°С для нитрификации поверхности сапфировой подложки 101 в течение 10 минут потоком активированного азота, генерируемым активатором азота (Oxford Applied Research) с РЧ-мощностью, равной 115 Вт, и массовым расходом N₂, равным 5 см³/мин. Активатор снабжен выходным отверстием, имеющим 185 дырочек диаметром 0,3 мкм. Таким образом, начальную стадию выращивания слоя GaN осуществляли посредством процесса нитрификации.

Выращивание буфера GaN 103 было инициировано на нитрифицированной сапфировой поверхности без какого-либо слоя зародышеобразования. В данном случае буферный слой GaN 103 выращивали со скоростью роста 0,4 мкм/ч при стехиометрическом условии небольшого обогащения Ga при температуре подложки Ts, равной 750°С. Кроме того, при выращивании буферного слоя GaN 103 активатор имел РЧ-мощность 145 Вт и массовый расход N₂ 5 см³/мин. Поток Ga, обеспечиваемый двухзонной эффузионной ячейкой, поддерживали равным 0,65 мкм/ч. В данном случае для задания потоков используются единицы скорости роста; эти значения соответствуют скорости роста без учета повторного испарения атомов с поверхности. На фиг.2а и 2b показаны графики, иллюстрирующие зависимость потока Ga и потока In от температуры ячейки соответственно. Буферный слой GaN 103 имеет толщину 0,8 мкм. По завершении выращивания буферного слоя Ga и N* прерыватели закрываются для снижения температуры подложки Ts и потока Ga до 637°С и 0,22 мкм/ч соответственно (T_Ga=828°C).

Важный аспект способа, отвечающего изобретению, касается выбора уровня РЧ-мощности на разных стадиях выращивания структуры с квантовой ямой. Проводились исследования свойств режима высокой яркости N плазмы в активаторе азота. Исследования показали линейную зависимость интенсивности свечения плазмы I_g от РЧ-мощности активатора азота, что показано на фиг.3. С другой стороны, исследования показали нелинейную зависимость интенсивности I_g от массового расхода N₂, что показано на фиг.3b. На основании этих измерений РЧ-мощность выбирали как регулировочный параметр для модуляции потока N*. Согласно фиг.4 результаты испытаний на зависимость максимальной скорости роста GaN от РЧ-мощности продемонстрировали линейную зависимость F_N* от РЧ-мощности.

Данные использовались для выбора рабочего диапазона изменения F_N* от 110 до 170 Вт для выращивания барьерного слоя и слоя квантовой ямы соответственно. Значение РЧ-мощности 110 Вт соответствует максимальной скорости роста GaN, равной 0,22 мкм/ч (см. фиг.4). С учетом полного включения потока Ga при достигнутой температуре подложки Ts (<650°С) это означает реализацию стехиометрических условий F_N*/F_Ga=1:1 при выращивании барьерного слоя. Верхний предел 170 Вт РЧ-мощности соответствует максимальной скорости роста GaN, равной 0,64 мкм/ч, которая удовлетворяет условиям роста F_N*/F_Ga>1.

Одновременно температура In ячейки temperature была установлена на 870°С, что соответствует максимальной скорости роста InN, равной 0,91 мкм/ч (см. фиг.2). Предварительный эксперимент показал, что, как указано на фиг.5, эффективность α_In включения In сильнее всего зависит от температуры подложки при Ts>600°C.

На фиг.6 показан метод выращивания структуры InGaN/GaN:In с одной квантовой ямой SQW, демонстрирующий последовательность прерывателей и РЧ-мощность. В последовательности выращивания нужно подчеркнуть две важные особенности.

Во-первых, в ходе выращивания барьерного слоя и покровного слоя ячейка In открывается одновременно с ячейкой Ga. При выбранных значениях F_Ga и F_N* отношение потоков N*/III совпадает с F_N*/F_Ga=1:1. В данном случае включение In в слой GaN ограничивается уровнем в несколько процентов. Относительно высокая температура подложки Ts 637°С приводит к повторному испарению всего потока In с поверхности роста просто за счет влияния на поверхностную кинетику атомов Ga посредством эффектов сегрегации, тем самым повышая качество GaN:In. Это было подтверждено прямым наблюдением сравнительно яркой и полосатой картины RHEED (отражательная дифракция быстрых электронов) в ходе выращивания барьерного слоя, а также прямым обнаружением поверхности, свободной от капель, с использованием СЭМ, как показано на фиг.7b.

Во-вторых, для получения резкой границы раздела квантовой ямы применялись короткие прерывания роста (20 секунд) при изменении РЧ-мощности активатора азота в сторону увеличения и уменьшения (до и после выращивания слоя квантовой ямы). Все ячейки-прерыватели, включая азотный прерыватель, закрыты в ходе прерываний. Прерывание роста после выращивания барьерного слоя GaN:In также допускает повторное испарение остаточного монослоя In, сегрегированного на поверхности GaN:In.

По достижении верхнего предела РЧ-мощности Ga и In прерыватели открываются для выращивания слоя квантовой ямы. На этой стадии эффективный поток элемента III группы, выраженный как F_Ga+α_InF_In=0,22+0,91×0,13=0,34 мкм/ч (см. фиг.5 для α_In) был меньше, чем F_N*, т.е. F_N*/(F_Ga+α_InF_In)>1. Это значит, что включение In определяется только температурой подложки Ts и на протяжении 35 секунд выращивания слоя квантовой ямы его номинальная толщина составляет 3 нм. В этом случае среднее содержание In оценивается как x=F_Inα_In/(F_Ga+α_InF_In)=0,35. Заметим, что эта оценка х, справедливая для объемного слоя, может отличаться на 10% для тонкого слоя, например, слоя квантовой ямы. Это обусловлено не только эффектами натяжения, но также некоторыми переходными процессами в ячейке и температурами подложки после прерывания роста.

По завершении выращивания слоя квантовой ямы прерыватели Ga, In и N ячеек снова закрываются для снижения RF до 110 Вт. Затем покровный слой GaN:In выращивается до толщины 110 нм в течение 30 минут при той же температуре подложки Ts, равной 637°С (Ts=637°C).

Согласно вышеописанному варианту осуществления для достижения нужного профиля содержания In с высокой скоростью и воспроизводимостью регулировочный параметр, например, поток In, поток Ga, расход азота не изменяют, но только модулируют РЧ-мощность. Таким образом, модуляция только РЧ-мощности для изменения содержания In не приводит к задержке по времени, обуславливаемой регулировкой в эффузионной ячейке Ga или In, предусмотренной в уровне техники. Это обеспечивает быстрое изменение содержания In и, таким образом, создает резкую границу раздела InGaN/GaN. Кроме того, отчетливая нелинейная зависимость F_N* от РЧ-мощности приводит к изменению содержания In с очень хорошей воспроизводимостью.

Согласно фиг.8 спектр фотолюминесценции (PL) для структуры с одной квантовой ямой SQW при комнатной температуре имеет максимум на линии 480 нм при значении FWHM 150 мэВ. В частности, никакого PL испускания из барьерного слоя GaN:N не наблюдается даже при низкой температуре (см. фиг.9). Это свидетельствует о высоком качестве покровного слоя, который позволяет полностью собирать неравновесные носители в слое квантовой ямы.

Для подтверждения основных моментов способа выращивания структуры с квантовой ямой InGaN/GaN:In два эталонных объемных слоя вырастили в условиях роста слоя одной квантовой ямы (InGaN) и барьерного слоя (GaN:In). На фиг.9 показаны спектры PL при 20К, соответствующие объемному слою InGaN. Спектр PL в слое InGaN толщиной 200 нм демонстрирует красное смещение до 520 нм относительно PL SQW (480 нм) и вдвое большую интенсивность PL по сравнению со структурой InGaN/GaN с одной квантовой ямой толщиной 3 нм. Спектральная позиция максимума PL для объемного слоя InGaN хорошо согласуется с экспериментальными данными, имеющимися в литературе. Напротив, спектр PL слоя GaN:In подтверждает пренебрежимо малое включение In (несколько процентов) в барьерном слое (см. фиг.9).

Согласно фиг.7(с) и 7(d) слой квантовой ямы InGaN проявляет наностолбчатую морфологию, что подтверждает условие роста с обогащением N. С другой стороны, низкотемпературный покровный слой GaN:In демонстрирует гораздо более гладкую морфологию, свидетельствующую о наличии зерен значительно большего размера с плоскими вершинами (см. фиг.7(е) и 7(f)).

Все вышеописанные экспериментальные результаты подтверждают применимость предложенного метода выращивания многослойной структуры на основе InGaN (включающей в себя структуру с квантовой ямой). Предложенный способ, отвечающий изобретению, позволяет легко создавать многослойную структуру на основе InGaN с легко контролируемым профилем содержания In и изменением стехиометрии вдоль оси роста. Структура In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN (x>y) с одной квантовой ямой, выращенная таким образом, проявляет яркую фотолюминесценцию при комнатной температуре в красно-зеленом спектральном диапазоне.

Многослойная структура на основе InGaN согласно вышеописанному варианту осуществления легко применима при формировании высококачественной структуры с множественными квантовыми ямами с резкой границей раздела. Это значит, что процесс выращивания барьерного слоя/слоя квантовой ямы InGaN/GaN посредством модуляции РЧ-мощности повторяется для создания структуры InGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

На фиг.10 показан вид в разрезе, иллюстрирующий процесс изготовления светоизлучающего устройства на основе нитрида элемента III группы с помощью структуры InGaN/GaN с одной квантовой ямой (более общо, структуры In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN (x>y) с одной квантовой ямой) согласно варианту осуществления изобретения.

Прежде всего, подложку 201, выполненную, например, из сапфира, размещают в ростовой камере аппарата плазменной молекулярно-пучковой эпитаксии (РА МВЕ), оборудованного активатором азота, и затем отжигают и/или нитрифицируют на подготовительном этапе выращивания полупроводника на основе нитрида элемента III группы. Затем буферный слой GaN 203 формируют на подложке 201, как описано выше (см. фиг.10(а)).

Затем слой полупроводника первого типа проводимости на основе нитрида элемента III группы выращивают на буферном слое GaN 203 для формирования первого плакирующего слоя 205 (см. фиг.10(b)). Например, для создания первого плакирующего слоя 205 слой AlGaN n-типа можно выращивать посредством процесса РА МВЕ.

Затем, как описано выше, РЧ-мощность активатора азота изменяют для выращивания структуры InGaN/GaN с одной квантовой ямой, тем самым получая активный слой 207 (см. фиг.10(с)). Например, условия роста, указанные со ссылкой на фиг.1, можно использовать для формирования активного слоя 207 структуры InGaN/GaN с одной квантовой ямой на первом плакирующем слое 205. Условия роста включают в себя температуру подложки, равную 637°С, постоянные потоки Ga и In и постоянный расход газообразного азота. Для изменения содержания In в активном слое 207 первую РЧ-мощность (например, 110 Вт) подают на активатор азота при формировании активного слоя. Тем временем, более высокую, вторую РЧ-мощность (например, 170 Вт) можно подавать при формировании слоя квантовой ямы.

Затем слой нитрида элемента III группы со вторым типом проводимости выращивают на активном слое 207 для формирования второго плакирующего слоя 209 (см. фиг.10(d)). Например, для создания второго плакирующего слоя 209 слой AlGaN р-типа можно выращивать посредством процесса РА МВЕ.

Затем, как показано на фиг.10(е), первый плакирующий слой 205 подвергают вытравливанию мезаструктур для частичного оголения, n-электрод 211 располагают на оголенной поверхности первого плакирующего слоя 205, и р-электрод 212 располагают на втором плакирующем слое 209. Это приводит к созданию светоизлучающего устройства на основе нитрида элемента III группы.

Согласно вышеописанному варианту осуществления структура InGaN/GaN с одной квантовой ямой была выращена для формирования активного слоя структуры с одной квантовой ямой, но изобретение этим не ограничивается. В более общем случае структуру In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN (x>y) с одной квантовой ямой с разным содержанием In можно формировать, изменяя РЧ-мощность.

На фиг.11 показан вид в разрезе, поясняющий процесс изготовления светоизлучающего устройства на основе нитрида элемента III группы, согласно которому для получения активного слоя выращивают структуру с множественными квантовыми ямами. При этом содержание In в активном слое (структуре с множественными квантовыми ямами) изменяется только путем модуляции РЧ-мощности. В данном случае регулировочные параметры (температура подложки, поток Ga, поток In, расход азота и т.д.), отличные от РЧ-мощности, поддерживают постоянными.

Прежде всего, согласно фиг.11(а) буферный слой GaN 203 и первый плакирующий слой 205 из AlGaN n-типа формируют на подложке, выполненной, например, из сапфира. Затем активный слой 270 структуры InGaN/GaN с множественными квантовыми ямами формируют на первом плакирующем слое 205. Кроме того, второй плакирующий слой 209 из AlGaN р-типа формируют на активном слое 270 (см. 11(b)). После образования стопки полупроводниковых слоев, показанной на фиг.11(с), осуществляют вытравливание мезаструктур и формируют электроды 211 и 212.

Активный слой 270 может иметь слой GaN квантового барьера 270а и слой InGaN квантовой ямы 270b, уложенные поочередно. Для создания такой гетероструктуры InGaN/GaN применяют способ выращивания, объясненный со ссылкой на фиг.1. Содержание In в активном слое можно быстро и отчетливо изменять, изменяя только РЧ-мощность. При этом такие регулировочные параметры, как температура подложки, потоки Ga и In, расход азота поддерживают постоянными. Например, когда поток Ga, поток In, расход N₂ поддерживаются постоянными (температура подложки равна 637°С), относительно низкую первую РЧ-мощность (например, 110 Вт) и более высокую вторую РЧ-мощность (например, 170 Вт) подают попеременно и повторно, тем самым создавая структуру InGaN/GaN с множественными квантовыми ямами (в более общем случае структуру In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN (x>y) с множественными квантовыми ямами). В данном случае при подаче первой РЧ-мощности формируется барьерный слой и при подаче второй мощности формируется слой квантовой ямы.

Согласно вышеизложенному предпочтительные варианты осуществления изобретения предусматривают, что содержание In можно изменять с высокой скоростью и воспроизводимостью при формировании многослойной структуры на основе InGaN. Кроме того, для изменения содержания In, согласно изобретению, не требуется сложного процесса регулировки источника элемента III группы, например, Ga или In. Кроме того, изобретение позволяет упростить выращивание многослойной структуры на основе InGaN с разным содержанием In. Соответственно, изобретение упрощает создание высококачественной структуры с одной квантовой ямой или структуры с множественными квантовыми ямами, имеющей более резкую поверхность раздела InGaN/GaN. Кроме того, изобретение не требует двойных источников Ga, что упрощает используемый аппарат МВЕ.

Хотя настоящее изобретение было показано и описано в связи с предпочтительными вариантами осуществления, специалисты в данной области могут предложить модификации и вариации, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения, которые заданы прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к способу выращивания многослойной структуры на основе InGaN. Сущность изобретения: в способе выращивания многослойной структуры на основе InGaN подложку размещают в ростовой камере аппарата плазменной молекулярно-пучковой эпитаксии, оборудованного активатором азота, для подготовки к выращиванию слоя нитрида элемента III группы. Поток активированного азота направляют на подложку посредством активатора азота, вместе с тем поток Ga и поток In направляют на подложку для выращивания совокупности слоев на основе InGaN с разным содержанием In, тем самым формируя многослойную структуру на основе InGaN. На этапе формирования многослойной структуры на основе InGaN изменяют РЧ-мощность активатора азота для изменения содержания In в слое на основе InGaN, одновременно поддерживая постоянными падающие потоки Ga и In и расход газообразного азота, подаваемого в активатор азота. Изобретение позволяет упростить выращивание многослойной структуры на основе InGaN с разным содержанием In. 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ выращивания многослойной структуры на основе InGaN, содержащий этапы, на которых

размещают подложку в ростовой камере аппарата плазменной молекулярно-пучковой эпитаксии (РА МВЕ), оборудованного активатором азота, для подготовки к выращиванию слоя нитрида элемента III группы и направляют поток активированного азота на подложку посредством активатора азота и одновременно направляют поток Ga и поток In на подложку для выращивания совокупности слоев на основе InGaN с разным содержанием In, тем самым формируя многослойную структуру на основе InGaN, в котором на этапе формирования многослойной структуры на основе InGaN изменяют РЧ-мощность активатора азота для изменения содержания In в слое на основе InGaN, одновременно поддерживая постоянными падающие потоки Ga и In и расход газообразного азота, подаваемого в активатор азота.

F_Ga+F_In>F_N* и F_Ga<F_N*,

где F_Ga - поток Ga, F_In - поток In и F_N* - поток активированного азота.

In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN, где х>y.

направляют поток активированного азота на подложку при первой РЧ-мощности активатора азота для формирования барьерного слоя, состав которого выражается формулой In_yGa_1-yN, и

направляют поток активированного азота на подложку при второй РЧ-мощности, превышающей первую РЧ-мощность, для формирования слоя квантовой ямы, состав которого выражается формулой In_xGa_1-xN, на барьерном слое In_yGa_1-yN.

направляют поток активированного азота на подложку при первой РЧ-мощности активатора азота для формирования барьерного слоя, состав которого выражается формулой In_yGa_1-yN,

направляют поток активированного азота при второй РЧ-мощности, превышающей первую РЧ-мощность, для формирования слоя квантовой ямы, состав которого выражается формулой In_xGa_1-xN, на барьерном слое In_yGa_1-yN, и

попеременно повторяют этап формирования барьерного слоя и этап формирования слоя квантовой ямы.