專(zhuān)利名稱(chēng)：一種AlN緩沖層的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及A1N緩沖層的生 長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
III族氮化物材料是重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有帶隙范圍寬(0.9eV-6.2eV)、擊穿電 場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)以及耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，這些優(yōu)良的光、 電學(xué)性質(zhì)以及優(yōu)良的材料化學(xué)性能使III族氮化物材料在藍(lán)、綠、紫、紫外光及白光發(fā)光 二極管(LED)、短波長(zhǎng)激光二極管(LD)、紫外光探測(cè)器和功率電子器件等半導(dǎo)體器件等領(lǐng) 域中有廣泛的應(yīng)用前景。目前，可見(jiàn)光LEDs的制備和封裝技術(shù)已逐漸趨于成熟，人們把 目光轉(zhuǎn)向了短波長(zhǎng)紫外或深紫外發(fā)光和探測(cè)器件的研究和制備。三元合金AlxGai.xN因?yàn)?其帶隙可以從3.42eV到6,2eV之間連續(xù)可調(diào)，可以廣泛應(yīng)用在短波長(zhǎng)深紫外(UV)發(fā)光、探 測(cè)以及白光照明LEDs中。紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一軍 民兩用的光電探測(cè)技術(shù)。太陽(yáng)光盲深紫外探測(cè)器可有效探測(cè)到那些尾焰或羽焰中釋放出大 量紫外輻射的飛行目標(biāo)，這就為導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)的探測(cè)提供了一種極其有效的手段。具體可以 應(yīng)用在導(dǎo)彈的紫外制導(dǎo)和紫外告警等方面。在民用方面，紫外探測(cè)器可用于火災(zāi)及燃燒過(guò) 程的監(jiān)視和與生化有關(guān)的檢測(cè)等。發(fā)光波長(zhǎng)在200-365nm之間的近紫外、紫外、深紫外波 段的LEDs在高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、水和空氣凈化與殺菌、以及白光照明領(lǐng)域有很大的應(yīng) 用前景。高質(zhì)量的A1N及高Al組分AlxGai.xN材料是深紫外探測(cè)器以及LEDs中的關(guān)鍵材 料。A1N因其帶隙較寬，被廣泛應(yīng)用于襯底層，而AlGaN是重要的有源區(qū)材料。高質(zhì)量的 A^Ga^N材料是實(shí)現(xiàn)深紫外發(fā)光和提高深紫外探測(cè)器探測(cè)性能的關(guān)鍵。
高Al組分的AlGaN材料生長(zhǎng)在GaN模板層上會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的開(kāi)裂現(xiàn)象，故A1N薄 膜被廣泛用來(lái)作為深紫外LED或探測(cè)器的模板層。A1N和高Al組分的AlxGai.xN(0.5Sx<l) 目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。和GaN相比，在藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延A1N和AlxGa^N材料 對(duì)生長(zhǎng)條件的要求更為苛刻。因?yàn)锳l原子比Ga原子的粘附系數(shù)大，Al原子表面遷移較低， 橫向生長(zhǎng)速率慢，導(dǎo)致準(zhǔn)二維層狀生長(zhǎng)模式很難形成，很難得到光滑的表面。這就要求薄 膜的生長(zhǎng)溫度大于1200°C，而對(duì)于采用三區(qū)加熱絲加熱的MOCVD設(shè)備來(lái)說(shuō)，1200'C為極 限生長(zhǎng)溫度。而且，鋁源(三甲基鋁(TMAl))和氮源(氨氣(NH3))之間存在強(qiáng)烈的預(yù)反
3應(yīng)，預(yù)反應(yīng)形成的固體加成物會(huì)沉積在樣品的生長(zhǎng)表面而不能充分分解，導(dǎo)致外延層中雜 質(zhì)摻入，造成外延層的多晶生長(zhǎng)。這些原因?qū)е翧1N延層的表面粗糙并且存在高達(dá)101Dcm'2 的位錯(cuò)密度。
目前，國(guó)際國(guó)內(nèi)通用的生長(zhǎng)方法為在藍(lán)寶石襯底上低溫(溫度600-90(TC)生長(zhǎng)20nm左 右的A1N作為緩沖層，然后外延生長(zhǎng)A1N或高Al組分AlxGa^N層。這種方法對(duì)緩沖層 的生長(zhǎng)條件要求較為苛刻，而且，低溫AlN緩沖層不同于低溫GaN緩沖層，在升溫的過(guò) 程中退火行為不明顯，很難使接下來(lái)外延層的生長(zhǎng)由三維模式變成二維模式，這樣所得的 外延層的表面比較粗糙，并且存在較高的位錯(cuò)密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種A1N緩沖層的生長(zhǎng)方法，將該方法生長(zhǎng)的A1N緩沖層作為 基礎(chǔ)來(lái)外延生長(zhǎng)A1N或AlxGai.xN材料的外延層，可以有效降低外延層中的位錯(cuò)密度。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種A1N緩沖層的生長(zhǎng)方法，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法，以高純 氫氣(H2)作為載氣，TMA1和NH3分別作為A1源和N源，控制溫度為1050'C-1200°C，壓 力為100-200 torr， V/III為400-800的條件下，采用交替通入TMA1和NH3的脈沖方式在 藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)50-150個(gè)周期的A1N緩沖層，具體每個(gè)周期依次通入3-10sTMAl，3-10s 載氣，3-10sNH3和3-10s載氣。
通常，生長(zhǎng)過(guò)程如下
1) 首先，將反應(yīng)室的溫度升高到100(TC-110(TC，將藍(lán)寶石襯底在氫氣氣氛中烘烤5-20 分鐘；
2) 升溫至1050°C-1200°C，控制壓力為100-200 torr， V/III為400-800，采用鋁源(TMA1) 和氮源(NH3)交替通入反應(yīng)室的方法生長(zhǎng)50-150個(gè)周期的高溫高壓脈沖A1N緩沖層， 具體每個(gè)周期依次通入3-10sTMAl， 3-10s載氣，3-10sNH3和3-10s載氣。
上述步驟l)烘烤襯底的溫度優(yōu)選105(TC-110(rC。
為改善生長(zhǎng)表面的質(zhì)量，在上述步驟1)和步驟2)之間增加下列步驟在1050°C-1200 。C的溫度下，控制壓力在100-200 torr，預(yù)通入5-30s TMA1進(jìn)反應(yīng)室，生長(zhǎng)一鋁化層。該 步驟的生長(zhǎng)溫度優(yōu)選1100°C-1200°C，鋁源通入時(shí)間優(yōu)選10-20s。
上述步驟2)的生長(zhǎng)溫度優(yōu)選1100°C-1200°C ，壓力優(yōu)選150-200 torr， V/III優(yōu)選400-600， V/III比可通過(guò)改變氨氣或TMA1流量實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明采用高溫高壓脈沖方法來(lái)生長(zhǎng)A1N作為緩沖層，在此基礎(chǔ)上，來(lái)外延生長(zhǎng)A1N 或AlxGa^N (0Sx<l)外延層，尤其是高A1組分的AlxGa^N外延層，可以有效降低外延 層中的位錯(cuò)密度。這種方法簡(jiǎn)單易行，生長(zhǎng)窗口寬。采用常用的X射線(xiàn)衍射(XRD)搖擺曲 線(xiàn)半高寬和透射電子顯微鏡(TEM)方法來(lái)表征外延層的晶體質(zhì)量，結(jié)果表明，采用這一特 殊的緩沖層方法生長(zhǎng)的AlN及AlxGa^N樣品和在藍(lán)寶石上直接高溫外延生長(zhǎng)的樣品相比， 位錯(cuò)密度大大下降，晶體質(zhì)量提高。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的A1N樣品的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中在A1N緩沖層上生長(zhǎng)的A1N外延層的TEM形貌，其中(a)、
(b)分別為g二0002和g-ldo。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所制備的AlGaN樣品的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4本發(fā)明實(shí)施2中生長(zhǎng)于脈沖A1N緩沖層上的AlGaN樣品和在藍(lán)寶石襯底上直接 外延的AlGaN樣品的XRD(l02)面三晶搖擺曲線(xiàn)比較圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例l:制備A1N樣品
制備過(guò)程如下，生長(zhǎng)得到的樣品結(jié)構(gòu)如圖l所示。
(1) 采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底1采用(0001)藍(lán)寶石襯底，將反 應(yīng)室溫度升高到1060°C，在氫氣氛下加熱烘烤襯底15min;
(2) 將溫度升高到1200°C，控制壓力在100-200 torr，預(yù)通入TMA1進(jìn)反應(yīng)室，時(shí)間為 10s，生長(zhǎng)幾個(gè)原子層厚的鋁化層2;
(3) 保持溫度不變，采用TMA1和NH3交替通入反應(yīng)室的方法生長(zhǎng)100個(gè)周期的脈沖 A1N緩沖層3，具體生長(zhǎng)條件為壓力150torr， V/III600,每個(gè)周期依次通入5s TMA1, 3s氫氣，5sNH3， 3s氫氣；
(4) 保持生長(zhǎng)溫度不變，采用通常的III族源和V族源同時(shí)通入反應(yīng)室的方法連續(xù)生長(zhǎng) 1.2 pm的A1N外延層4，生長(zhǎng)壓力為50torr， V/III為400。
通過(guò)測(cè)量上述方法制備的A1N外延層中的位錯(cuò)密度的變化可檢測(cè)這種高溫高壓脈沖A1N做為緩沖層的作用。具體采用TEM方法表征位錯(cuò)的形貌和位錯(cuò)密度的變化，如圖2所 示，可以看出，緩沖層和外延層中存在明顯的界面，在A1N緩沖層中存在較多的穿透位錯(cuò)， 但是大量位錯(cuò)在界面中斷、彎曲或湮滅，導(dǎo)致外延層中的位錯(cuò)密度大大下降。
實(shí)施例2:制備AlGaN樣品
制備過(guò)程如下，生長(zhǎng)得到的樣品結(jié)構(gòu)如圖l所示。
(1) 使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底1采用(0001)藍(lán)寶石襯底，將反 應(yīng)室溫度升高到1060°C，襯底1在氫氣氛下加熱烘烤15min;
(2) 將溫度升高到1200°C，控制壓力在100-200 torr，預(yù)通入TMA1進(jìn)反應(yīng)室，時(shí)間為 10s，生長(zhǎng)幾個(gè)原子層厚的鋁化層2;
G)保持溫度不變，采用TMA1和NH3交替通入反應(yīng)室的方法生長(zhǎng)100個(gè)周期的脈沖 A1N緩沖層3，具體生長(zhǎng)條件為壓力150torr， V/III為600，每個(gè)周期依次通入5s TMA1， 3s氫氣，5sNH3, 3s氫氣； (4)保持生長(zhǎng)溫度不變，采用標(biāo)準(zhǔn)工藝III族源和V族源同時(shí)通入反應(yīng)室的方法連續(xù)生 長(zhǎng)1.2拜的AlxGa丄.xN (x=0.6)外延層5，生長(zhǎng)壓力為75torr， V/III為1000。 通過(guò)測(cè)量上述方法制備的AlGaN外延層中的位錯(cuò)密度來(lái)判斷這種高溫高壓脈沖A1N 做為緩沖層的作用。具體采用通常的三晶XRD衍射測(cè)量AlGaN外延層(002)面和(102)面 的半寬來(lái)表征晶體質(zhì)量。(002)的半寬反映的是晶體螺型位錯(cuò)的位錯(cuò)密度，(102)的半寬則綜 合反映了螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)的位錯(cuò)密度，而對(duì)于III-V族半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，晶體中主要的 位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)，故可以采用XRD(102)面的半寬來(lái)表征AlGaN外延層的晶體質(zhì)量。結(jié)果 如圖4所示，可以看出，在藍(lán)寶石上直接外延的AlGaN (即無(wú)脈沖A1N緩沖層)的(102) 面的半寬為1300arcsec，而加入這種脈沖A1N緩沖層之后，XRD (102)面的半寬明顯下降 到860arcsec，表明位錯(cuò)密度大大下降。
權(quán)利要求
1.一種AlN緩沖層的生長(zhǎng)方法，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法，以氫氣作為載氣，TMAl和NH3分別作為Al源和N源，控制溫度為1050℃-1200℃，壓力為100-200torr，V/III為400-800，采用交替通入TMAl和NH3的脈沖方式在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)50-150個(gè)周期的AlN緩沖層，具體每個(gè)周期依次通入3-10s TMAl，3-10s載氣，3-10s NH3和3-10s載氣。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟1) 將反應(yīng)室的溫度升高到100(TC-110(rC，在氫氣氣氛中烘烤藍(lán)寶石襯底5-20分鐘；2) 升溫至1050°C-1200°C，控制壓力為100-200 torr， V/III為400-800，采用TMA1和 NH3交替通入反應(yīng)室的脈沖方式生長(zhǎng)50-150個(gè)周期的高溫高壓脈沖A1N緩沖層，每 個(gè)周期依次通入3-10sTMAl， 3-10s載氣，3-10sNH3和3-10s載氣。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟l)的溫度為1050°C-1100°C。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步驟l)和步驟2)之間增加下列步驟 1-2.在1050°C-1200。C的溫度下，控制壓力在100-200 torr,預(yù)通入5-30s TMA1進(jìn)反應(yīng)室，生長(zhǎng)一鋁化層。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟l-2的溫度為1100°C-1200°C， TMA1 通入時(shí)間為10-20s。
6. 如權(quán)利要求2 5中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的溫度為1100 °C-1200°C 。
7. 如權(quán)利要求2 5中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的壓力為 150-200 torr。
8. 如權(quán)利要求2 5中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的V/III為 400-600。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的V/III比通過(guò)改變氨氣流量或 TMA1流量實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種AlN緩沖層的生長(zhǎng)方法，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法，以氫氣作為載氣，TMAl和NH₃分別作為Al源和N源，控制溫度為1050℃-1200℃，壓力為100-200torr，V/III為400-800，采用交替通入TMAl和NH₃的脈沖方式在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)50-150個(gè)周期的AlN緩沖層，具體每個(gè)周期依次通入3-10s TMAl，3-10s載氣，3-10s NH₃和3-10s載氣。這種方法簡(jiǎn)單易行，生長(zhǎng)窗口寬，在此基礎(chǔ)上來(lái)外延生長(zhǎng)AlN或Al_xGa_1-xN(0≤x＜1)外延層，尤其是高Al組分的Al_xGa_1-xN外延層，可以有效降低外延層中的位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量。
文檔編號(hào)C23C16/455GK101580930SQ20081010641
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2008年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者于彤軍, 張國(guó)義, 浩 方, 楊志堅(jiān), 桑立雯, 秦志新 申請(qǐng)人:北京大學(xué)