СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ СЛОЯ НИТРИДА ГАЛЛИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2011 года по МПК C30B25/02 C30B29/38 H01L33/00 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к способу выращивания слоя нитрида галлия с использованием эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE) и к способу получения нитридного полупроводникового устройства.

Описание соответствующей области техники

В общем случае, нитридный полупроводник широко используется для светодиодов (LED) зеленого или синего цвета, или для лазерных диодов (LD), применяемых в качестве источника света в полноцветном дисплее, сканере изображения, в различного рода сигнальных системах и оптических телекоммуникационных устройствах. Способ выращивания слоя нитрида галлия предоставляет возможность получения светоизлучающего устройства, имеющего активный слой, испускающий различный свет, включая синий и зеленый свет, посредством использования рекомбинации электронов и дырок.

Один из вариантов выращивания слоя нитрида галлия, который предоставляет возможность получения нитридного полупроводникового устройства, включает эпитаксию металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE). Для выполнения MOVPE газ-носитель, содержащий множество газов-источников, инжектируется в подогретую подложку в реакторе, и эти газы-источники термически разлагаются на подложке. На Фиг.1 показан вид сечения слоя нитрида галлия, выращенного обычным процессом MOVPE. Со ссылкой на Фиг.1 видно, что множество раковин Р, например микроотверстий в форме перевернутой пирамиды, образуется на поверхности слоя 10 нитрида галлия. Если рост монокристалла выполняется в недостаточно равновесных условиях, то слой нитрида галлия не вырастает с желаемой ориентацией, например ориентацией (0001). Вместо этого может быть спровоцирован рост слоя нитрида галлия в направлении с низкой энергией выращивания, например с ориентацией (10-11), тем самым обусловливая V-образные раковины Р на поверхности.

Как описано выше, когда слой нитрида галлия 10, имеющий образованные на поверхности раковины Р, используется как нитридное полупроводниковое устройство, вокруг раковин Р может быть сконцентрировано напряжение, создавая большое количество дислокации. Соответственно, это ухудшает рабочие параметры устройства. Поэтому в данной области техники имеется потребность в способе улучшения поверхностной морфологии посредством снижения количества раковин, образуемых на поверхности слоя нитрида галлия.

Сущность изобретения

Объект настоящего изобретения предоставляет способ улучшения поверхностной морфологии слоя нитрида галлия при использовании эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE).

В соответствии с объектом настоящего изобретения предоставляется способ выращивания слоя нитрида галлия, используя MOVPE, причем способ включает инжекцию в реактор газа - источника азота и газа - источника галлия для роста слоя нитрида галлия, причем инжекция газа - источника азота и газа - источника галлия включает инжекцию в реактор газа, содержащего атомы индия, так, что вакантные центры поверхности, определяющие раковину, образованную на выращиваемом слое нитрида галлия, объединяются вместе с атомами галлия или атомами индия для заполнения раковины.

Газом, содержащим атомы индия, может быть TMIn (триметил индия). Газ TMIn может быть инжектирован в реактор при расходе в 1,5 см³/мин.

Порции атомов индия, содержащиеся в газе с атомами индия, могут не объединяться с вакантными центрами, чтобы действовать как поверхностно-активное вещество для увеличения подвижности атомов галлия.

Газ, содержащий атомы индия, может быть инжектирован при температуре от 850°С до 1000°С.

Газом - источником азота - может быть NН₃, и газом - источником галлия - может быть TMGa (триметил галлия).

Газ H₂ может быть использован как газ-носитель газа источника азота, газа - источника галлия и газа, содержащего атомы индия, соответственно. Атомы галлия, объединенные с вакантными центрами, могут быть атомами галлия, отделенными от поверхности слоя нитрида галлия, протравленного газом H₂.

Реактор может иметь внутреннее давление от 200 до 500 мбар.

В соответствии с другим объектом настоящего изобретения предоставляется способ получения нитридного полупроводникового устройства, причем способ включает выращивание слоя нитридного полупроводника n-типа; выращивание активного слоя на слое нитридного полупроводника n-типа и выращивание слоя нитридного полупроводника р-типа на активном слое, используя MOVPE, причем выращивание слоя нитридного полупроводника р-типа включает инжекцию газа - источника азота, и газа - источника галлия в реактор для выращивания слоя нитрида галлия, определяющего слой нитридного полупроводника р-типа, причем инжекция газа источника азота и газа - источника галлия включает инжекцию газа, содержащего атомы индия, так, что вакантные центры поверхности, определяющие раковину, образованную на выращиваемом слое нитрида галлия, объединяются вместе с атомами галлия или атомами индия для заполнения раковины.

Газ Н₂ может использоваться как газ-носитель газа источника азота, газа - источника галлия и газа, содержащего атомы индия, соответственно.

В соответствии с еще одним объектом настоящего изобретения предоставляется способ получения нитридного полупроводникового устройства, причем способ включает выращивание слоя нитридного полупроводника n-типа; выращивание активного слоя на слое нитридного полупроводника n-типа, используя эпитаксию металлоорганических соединений из газовой фазы, причем активный слой включает слой с квантовыми ямами и слой с квантовыми барьерами, расположенными поочередно; и выращивание слоя нитридного полупроводника р-типа на активном слое, причем выращивание активного слоя включает выращивание слоя с квантовыми барьерами в активном слое, и выращивание слоя с квантовыми барьерами включает инжекцию газа - источника азота и газа - источника галлия для выращивания слоя нитрида галлия, определяющего слой с квантовыми барьерами, причем инжекция газа - источника азота и газа - источника галлия включает инжекцию газа, содержащего атомы индия так, что вакантные центры поверхности, определяющие раковину, образованную на выращиваемом слое нитрида галлия, объединяются вместе с атомами галлия или атомами индия для заполнения раковины.

Газ N₂ может быть использован как газ-носитель газа источника азота, газа - источника галлия и газа, содержащего атомы индия, соответственно.

Краткое описание чертежей

Вышеупомянутые и другие объекты, признаки и другие преимущества настоящего изобретения будут более ясно поняты из следующего подробного описания, и в связи с сопровождающими чертежами, среди которых

Фиг.1 изображает вид сечения слоя нитрида галлия, выращенного с помощью обычной методики MOVPE;

Фиг.2 - вид сечения, иллюстрирующий процесс в способе получения слоя нитрида галлия в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения;

Фиг.3 - схематический вид, иллюстрирующий раковины на поверхности слоя нитрида галлия в процессе на Фиг.2, заполняемые атомами индия и галлия;

Фиг.4 - схематический вид, иллюстрирующий поверхность слоя нитрида галлия, протравленную газом H₂, используемым как газ-носитель в процессе на Фиг.2;

Фиг.5 - вид сечения нитридного полупроводникового устройства, изготовленного способом производства слоя нитрида галлия, показанного на Фиг.2-4;

Фиг.6 - график, полученный моделированием поверхностного покрытия в соответствии с расходом H₂ и TMIn, когда слой нитридного полупроводника р-типа, показанный на Фиг.5, выращен посредством MOVPE;

Фиг.7 - график, полученный моделированием поверхностного покрытия в соответствии с расходом H₂ и TMIn, когда слой нитридного полупроводника р-типа, показанный на Фиг.5, выращен посредством MOVPE;

Фиг.8 - график, полученный моделированием поверхностного покрытия в соответствии с расходом H₂ и TMIn, когда слой нитридного полупроводника р-типа, показанный на Фиг.5, выращен посредством MOVPE;

Фиг.9 - график, полученный моделированием поверхностного покрытия в соответствии с расходом H₂ и TMIn, когда слой нитридного полупроводника р-типа, показанный на Фиг.5, выращен посредством MOVPE;

Фиг.10 - вид сечения, подробно иллюстрирующий структуру активного слоя, показанного на Фиг.5;

Фиг.11 - иллюстрация моделирования поверхностного покрытия слоя с квантовыми барьерами в соответствии с расходом TMIn и

Фиг.12 - иллюстрация моделирования поверхностного покрытия слоя с квантовыми барьерами в соответствии с внутренним давлением реактора.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Примерные варианты осуществления настоящего изобретения рассматриваются подробно ниже в связи с соответствующими чертежами.

На Фиг.2 показан вид сечения, иллюстрирующий процесс способа производства слоя нитрида галлия в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения. На Фиг.3 показан схематический вид, иллюстрирующий раковины на поверхности слоя нитрида галлия в процессе на Фиг.2, заполняемые атомами галлия и индия. Что касается Фиг.2, то способ выращивания нитрида галлия настоящего варианта осуществления использует эпитаксию металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE). В способе NН₃ как газ - источник азота и TMGa (триметил галлия) как газ - источника галлия инжектируются в реактор (не показан) для выращивания слоя 101 нитрида галлия на подложке 100. Кроме того, в настоящем варианте осуществления малое количество TMIn (триметил индия) инжектируется для подачи атомов индия, которые не используются как газ-источник. Соответственно, это улучшает поверхностную морфологию слоя 101 нитрида галлия. Таким образом, как показано на Фиг.3, раковины Р, сформированные на поверхности в течение процесса выращивания слоя 101 нитрида галлия, могут быть заполнены атомами галлия 102 или атомами индия 103. Конкретно, атомы галлия 102 или атомы индия 103 объединяются с вакантными центрами на поверхности раковин Р для заполнения раковин Р.

В этом случае атомы индия 103 поставляются от TMIn, но не образуют нитридный слой посредством объединения с атомами нитрида и галлия. Таким образом, атомы индия 103, которые заполняют раковины Р и, таким образом, выравнивают поверхность слоя 101 нитрида галлия, инжектируются в относительно меньшем количестве, чем в случае, когда выращивается соединение InGaN, например слой с квантовыми ямами. Кроме того, атом индия 103 требует для выращивания относительно высокой температуры, 800°С или более. Кроме того, с этой целью в качестве газа-носителя может быть использован газ H₂. Одновременно атомы индия 103 непосредственно заполняют раковины (Р), но при меньшем отношении к атомам галлия 102. Атомы индия 103 могут служить как поверхностно-активное вещество для увеличения подвижности атомов галлия 102 и предоставления возможности большему количеству атомов галлия заполнять раковины Р.

Атом галлия 102 поставляется от TMGa, но может быть отделен и от нитрида галлия 101. Большее количество атомов галлия 102 может дополнительно улучшить поверхностную морфологию нитрида галлия 101. Как следует из результатов моделирования, которые рассматриваются ниже, поверхностное покрытие атомами галлия 102, поставляемыми посредством травления слоя нитрида галлия 101, сильно зависит от условий, например от температуры и давления. Поэтому поверхностная морфология может быть максимально улучшена посредством выбора надлежащих условий процесса. На Фиг.4 показан схематический вид поверхности слоя нитрида галлия, протравленного газом H₂, используемым как газ-носитель в процессе на Фиг.2.

Что касается Фиг.4, в случае, когда газ H₂ используется как газ-носитель газов-источников, атом галлия может отделяться от поверхности слоя нитрида галлия из-за последующей реакции со слоем нитрида галлия. Этот атом галлия может объединиться с вакантными центрами на поверхности раковин Р. Таким образом, газ H₂, используемый как газ-носитель, обеспечивает большее количество атомов галлия, адсорбирующихся на поверхности раковин Р.

GaN+_V+(3/2)H₂↔Ga_V+NH₃… Уравнение 1

Ga_V↔Ga+_V… Уравнение 2

где _V обозначает вакантные центры на поверхности нитрида галлия, Ga_V обозначает атом галлия, объединенный с вакантными центрами и адсорбируемый на поверхности слоя нитрида галлия.

Далее рассматривается способ выращивания слоя нитрида галлия, который применяется для нитридного полупроводникового устройства, конкретно, слой нитридного полупроводника р-типа и слой с квантовыми барьерами. На Фиг.5 показан вид сечения нитридного полупроводникового устройства, изготовленного способом получения слоя нитрида галлия, показанным на Фиг.2-4. Нитридное полупроводниковое устройство 200 структурировано так, что слой 202 нитридного полупроводника n-типа, активный слой 203 и слой 204 нитридного полупроводника р-типа последовательно образованы на подложке 201 для выращивания монокристаллического нитрида, выполненной из сапфира. Электроды - n-электрод 205а и р-электрод 205b - образованы для электрического соединения со слоями 202 и 204 нитридного полупроводника n-типа и р-типа, соответственно. В связи с Фиг.5 рассматривается нитридное полупроводниковое устройство, имеющее "планарную электродную структуру". Однако настоящее изобретение не ограничивается этим. Нитридное полупроводниковое устройство может быть сформировано с "вертикальной электродной структурой", имеющее различные электроды на противоположных поверхностях светоизлучающей структуры, соответственно.

На Фиг.6-9 показаны графики, полученные моделированием поверхностного покрытия в соответствии с расходом H₂ и TMIn, когда слой нитридного полупроводника р-типа, показанный на Фиг.5, выращивается посредством MOVPE. Поверхностное покрытие при моделировании в этом случае означает степень, с которой соответствующий атом заполняет области раковин на поверхности слоя нитрида галлия, и обозначено единицами монослоев ML. Во-первых, из Фиг.6 видно, что с увеличением расхода H₂ (полный расход установлен постоянным в 41 л/мин) поверхностное покрытие галлия увеличивается. Это происходит, очевидно, потому, что, как описано выше, большее число атомов галлия отделяется от слоя нитрида галлия посредством H₂. Здесь, поскольку полный расход постоянен, газ H₂ может заменить NН₃, который является газом - источником азота, для увеличения расхода.

На Фиг.7 и 8 показаны графики, полученные моделированием поверхностного покрытия в соответствии с расходом H₂ и TMIn, когда температура выращивания составляет 1000°С и 900°С (давление в реакторе составляет 200 мбар), соответственно. Более высокий расход TMIn увеличивает поставку атома индия и, соответственно, поверхностное покрытие атомами индия (уменьшая поверхностное покрытие атомами галлия), но оно насыщается при 3 см³/мин. Кроме того, как показано на Фиг.7, когда температура выращивания составляет 1000°С, объединение атомов индия с вакантными центрами затруднено и, таким образом, поверхностное покрытие атомами индия оказывается относительно более низким, чем атомами галлия. На Фиг.9 показано поверхностное покрытие атомами галлия и индия, соответственно, в соответствии с расходом TMIn, когда температура выращивания составляет 900°С и реактор имеет внутреннее давление 500 мбар. Как показано на Фиг.9, когда внутреннее давление реактора увеличивается, поверхностное покрытие атомами индия уменьшается, когда TMIn составляет 1 см³/мин или более. Это происходит, очевидно, потому, что атомы индия не адсорбируются в раковинах нитрида галлия, а только образуют на ней собственные частицы. Из-за этого в случае, когда TMIn инжектируется в малом количестве для заполнения раковины, реактор может иметь внутреннее давление приблизительно от 200 до 500 мбар.

На Фиг.10 показан вид сечения, иллюстрирующий подробно структуру активного слоя, показанного на Фиг.5. Что касается Фиг.10, то активный слой 203 имеет структуру множественных квантовых ям (MQW) и включает слои 203а квантовых ям и слои 203b квантовых барьеров, выращенные поочередно друг с другом. Здесь, слои 203b квантовых барьеров обычно выполняются из нитрида галлия и, таким образом, могут быть выращены способом настоящего варианта осуществления. Однако слои 203b квантовых барьеров, каждый, имеют малую толщину, приблизительно 20 нм и, таким образом, при травлении газом H₂ может быть ухудшено качество кристалла. Поэтому газ N₂ может быть использован как газ-носитель.

На Фиг.11 показано моделирование поверхностного покрытия слоя с квантовыми барьерами в соответствии с расходом TMIn. Как показано на графике, более высокий расход TMIn приводит к большему поверхностному покрытию. Это означает, что когда TMIn инжектируется в относительно меньшем количестве, 1,5 см³/мин или менее, расход TMIn влияет на функционирование атомов индия в качестве поверхностно-активного вещества. На Фиг.12 показано моделирование поверхностного покрытия слоем с квантовыми барьерами в соответствии с внутренним давлением реактора. Когда TMIn инжектируется в малом количестве, 0,6, 1 см³/мин, при большем давлении, особенно при давлении окружающей атмосферы, атомы индия имеют поверхностное покрытие, увеличенное приблизительно до 0,7ML.

Как сформулировано выше, в соответствии с примерными вариантами осуществления изобретения, в способе, использующем эпитаксию металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE), поверхностная морфология слоя нитрида галлия улучшается. Нитридное полупроводниковое устройство, изготавливаемое с использованием слоя нитрида галлия с улучшенной поверхностной морфологией, может быть реализовано с лучшими характеристиками.

Хотя настоящее изобретение было рассмотрено в связи с примерными вариантами осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что могут быть реализованы модификации и вариации без отклонения от существа и объема изобретения, определенных приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к технологии выращивания слоя нитрида галлия с использованием эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы и получению нитридного полупроводникового устройства. Способ включает инжекцию в реактор газа - источника азота и газа - источника галлия для выращивания слоя нитрида галлия, причем инжекция газа - источника азота и газа -источника галлия включает инжекцию в реактор газа, содержащего атомы индия при температуре от 850 до 1000°С, так, что вакантный центр поверхности, определяющий раковину, сформированную на выращиваемом слое нитрида галлия, объединяется вместе с атомами галлия или атомами индия для заполнения раковины, и реактор имеет внутреннее давление от 200 до 500 мбар. Изобретение обеспечивает улучшение поверхностной морфологии слоя нитрида галлия за счет снижения количества раковин, образуемых на его поверхности. Такой слой используется для изготовления нитридного полупроводникового устройства с улучшенными рабочими характеристиками. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ выращивания слоя нитрида галлия с использованием эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы, включающий
инжекцию в реактор газа - источника азота и газа - источника галлия для выращивания слоя нитрида галлия,
причем инжекция газа - источника азота и газа - источника галлия включает инжекцию в реактор газа, содержащего атомы индия при температуре от 850 до 1000°С так, что вакантный центр поверхности, определяющий раковину, сформированную на выращиваемом слое нитрида галлия, объединяется вместе с атомами галлия или атомами индия для заполнения раковины, и реактор имеет внутреннее давление от 200 до 500 мбар.

2. Способ по п.1, в котором газ, содержащий атомы индия, представляет собой триметил индия.

3. Способ по п.2, в котором триметил индия инжектируют в реактор при расходе в 1,5 см³/мин.

4. Способ по п.1, в котором атомы индия непосредственно заполняют раковины при меньшем отношении к атомам галлия, чтобы порции атомов индия, содержащиеся в газе, содержащем атомы индия, не объединялись с вакантным центром, чтобы действовать как поверхностно-активное вещество для увеличения подвижности атомов галлия.

5. Способ по п.1, в котором газом - источником азота является NH₃ и газом - источником галлия является триметил галлия.

6. Способ по п.1, в котором газ Н₂ используют как газ-носитель газа - источника азота, газа - источника галлия и газа, содержащего атомы индия, соответственно.

7. Способ по п.6, в котором атомы галлия, объединенные с вакантным центром, являются атомами галлия, отделенными от поверхности слоя нитрида галлия, протравленной газом H₂.

8. Способ получения нитридного полупроводникового устройства, включающий
выращивание слоя нитридного полупроводника n-типа;
выращивание активного слоя на слое нитридного полупроводника n-типа и
выращивание слоя нитридного полупроводника р-типа на активном слое, используя эпитаксию металлоорганических соединений из газовой фазы,
причем выращивание слоя нитридного полупроводника р-типа включает инжекцию газа - источника азота и газа - источника галлия в реактор для выращивания слоя нитрида галлия, определяющего слой нитридного полупроводника р-типа, а
инжекция газа - источника азота и газа - источника галлия включает инжекцию газа, содержащего атомы индия при температуре от 850 до 1000°С так, что вакантный центр поверхности, определяющий раковину, сформированную на выращиваемом слое нитрида галлия, объединен вместе с атомами галлия или атомами индия для заполнения раковины, и реактор имеет внутреннее давление от 200 до 500 мбар.

9. Способ по п.8, в котором газ Н₂ используется как газ-носитель газа - источника азота, газа - источника галлия и газа, содержащего атомы индия, соответственно.

10. Способ получения устройства нитридного полупроводника, включающий
выращивание слоя нитридного полупроводника n-типа;
выращивание активного слоя на слое нитридного полупроводника n-типа, используя эпитаксию металлоорганических соединений из газовой фазы, причем активный слой включает слой с квантовыми ямами и слой с квантовыми барьерами, уложенные поочередно; и
выращивание слоя нитридного полупроводника р-типа на активном слое,
причем выращивание активного слоя включает выращивание слоя с квантовыми барьерами в активном слое, и
выращивание слоя с квантовыми барьерами включает инжекцию газа - источника азота и газа - источника галлия для выращивания слоя нитрида галлия, определяющего слой с квантовыми барьерами,
причем инжекция газа - источника азота и газа - источника галлия включает инжекцию газа, содержащего атомы индия при температуре от 850 до 1000°С так, что вакантный центр поверхности, определяющий раковину, сформированную на выращиваемом слое нитрида галлия, объединяется вместе с атомами галлия или атомами индия для заполнения раковины, и реактор имеет внутреннее давление от 200 до 500 мбар.

11. Способ по п.10, в котором газ N₂ используют как газ-носитель газа - источника азота, газа - источника галлия и газа, содержащего атомы индия, соответственно.