專利名稱：用MBE外延InAlGaN單晶薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指采用分子束外延 (MBE)技術(shù)生長銦鋁鎵氮(InAlGaN)單晶薄膜的生長方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)基的紫外發(fā)光二極管(UV-LED)在白光照 明、生物和化學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)用，因而GaN 基UV-LED的材料生長和器件結(jié)構(gòu)研究近年來引起人們的廣泛 關(guān)注。由于鋁鎵氮(AlGaN)晶體質(zhì)量較差，制備高性能的 GaN/AlGaN基UV-LED很困難。銦鎵氮(InGaN)材料由于局域 化效應(yīng)，InGaN基LED的性能對(duì)晶體質(zhì)量不是很敏感。與InGaN 類似，銦鋁鎵氮(InAlGaN)四元合金的發(fā)光效率比AlGaN高 很多，目前InAlGaN己經(jīng)被用于紫外特別是發(fā)射波長小于3 6 5 nm的紫外LED和激光二極管(LD)中。此外，InAlGaN四 元合金的晶格常數(shù)和帶隙可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)Al和In 的組分，不但可以獲得不同的帶隙，還可以得到與InGaN或 GaN晶格相匹配的異質(zhì)結(jié)或量子阱結(jié)構(gòu)，這樣就降低或者消除
了因晶格失配導(dǎo)致的壓電效應(yīng)，從而提高發(fā)光效率。
然而，由于A1N、 GaN和工nN的鍵長和分解溫度差異大， 生長時(shí)原子在表面的遷移速率和解吸附溫度差異也比較大，生 長高質(zhì)量的InAlGaN四元合金很困難。1 9 9 2年， T. Matsuoka等人首次在藍(lán)寶石上生長了 InAlGaN，但是生長的 InAlGaN是多晶的，沒有與帶邊相應(yīng)的光致發(fā)光峰。19 9 6 年F. G. Mcintosh等人用M0CVD方法在7 5 0 。C生長了單晶 InAlGaN四元合金，光致發(fā)光測(cè)量中看到帶邊發(fā)光。1 9 9 9 年，M. E. Aurner等人生長出了高質(zhì)量的InAlGaN，此后關(guān)于 InAlGaN合金的生長.，性質(zhì)和應(yīng)用的研究引起了大家的廣泛關(guān) 注。
目前人們對(duì)InALGaN的研究還處于初始階段，InAlGaN主 要還是在大失配襯底藍(lán)寶石(Q Q Q 1 )上進(jìn)行外延生長。本 發(fā)明以前的InAlGa、外延生長方法大多采用金屬有機(jī)物化學(xué) 汽相沉積(M0CVD)進(jìn)行外延生長，在襯底上生長厚的GaN材 料，在GaN層上生長InAlGaN。也有一些關(guān)于MBE外延InAlGaN 的報(bào)道，但都是在MOCVD提供的厚的GaN模板上或者厚的GaN 層上生長。
本發(fā)明的目的在于提供 一 種用分子束外延(MBE )生長 InAlGaN單晶薄膜的新方法，其方法是先通過將藍(lán)寶石襯底暴 露在氨氣中生長 一 薄層A1N，然后再升高襯底溫度外延 一 層高 溫A1N成核層，再降低到適當(dāng)?shù)臏囟?，在高溫AIN成核層上面
夕卜延單晶InAlGaN。
本發(fā)明一種用M:3E外延InAlGaN單晶薄膜的方法，其特征 在于，包括如下步驟
1 )選擇 一 襯底；
2 )在襯底上采用分子束外延法生長一層氮化層，使得藍(lán) 寶石表面形成生長氮化物的浸潤層；
3 )升高襯底的溫度；
4 )在氮化層上生長一層成核層，為生長InAlGaN提供與 襯底相同取向的成核中心；
5 )降低襯底的溫度；
6 )在成核層上生長InAlGaN層。 其中所述襯底為藍(lán)寶石襯底。 其中所述氮化層的材料為A1N。 其中所述成核層的材料為高溫A1N。
其中生長氮化層時(shí)，襯底的溫度為6 0 0 — 8 0 0 °C，壓 力為1 . 3 3 — 6 . 6 5 X 1 0 - 3 Pa，氮化層的生長厚度為0 . 0 0 2 — 0.0 5nri。
其中成核層的生長溫度為7 0 0 - 8 0 0 。C ，壓力約1 . 3 3 — 4.6 5X1 0- 3Pa，成核層的生長厚度為O.O 0 2 —0.0 5 m m。
其中InAlGaN外延層的生長溫度為5 0 0 — 6 5 0 °C，壓
力為1.33 — 4.65X10- 3Pa， InAlGaN外延層的生長 厚度為0.0 5 — 0.2um。


為進(jìn) 一 步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本 發(fā)明作 一 詳細(xì)的描述，其中
圖1是本發(fā)明的InAlGaN單晶外延膜的生長結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的InAlGaN單晶外延膜的表面原子力顯微 鏡測(cè)試結(jié)果；
圖3是本發(fā)明的InAlGaN單晶外延膜的RBS測(cè)試結(jié)果 圖4是本發(fā)明的InAlGaN單晶外延膜的X射線e - 2 9 測(cè)試結(jié)果；
圖5是本發(fā)明的InAlGaN單晶外延膜的x射線搖擺曲線 半峰寬測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明 一 種用MBE外延InAlGaN單晶薄 膜的方法，包括如下步驟
1 )選擇 一 襯底1 0 ,該襯底1 0為藍(lán)寶石襯底；
2 )在襯底1 0上采用分子束外延法生長 一 層氮化層2 0 ，使得藍(lán)寶石表面形成生長氮化物的浸潤層，該氮化層2 0
的材料為A1N;
3 )升高襯底1 Q的溫度；
4 )在氮化層2 0上生長--- 層成核層3 0 ，為生長 InAlGaN提供與襯底1 0相同取向的成核中心，該成核層3 0 的材料為高溫A1N;在生長氮化層2 Q時(shí)，襯底1 Q的溫度為 600 — 800°C，壓力為1.33 — 6.65X1 0—3Pa， 氮化層2 0的生長厚度為0 . Q 0 2 — Q Q 5 u m;該成核層 3 0的生長溫度為7 0 0-8 0 。C ，壓力約1 . 3 3 — 4.6 5X1 0 - 3 Pa，成核層3 0的生長厚度為0 . 0 0 2 — 0.0 5 ii m;
5 )降低襯底1 0的溫度；
6 )在成核層3 0上生長InAlGaN層4 Q ，該InAlGaN 外延層4 0的生長溫度為5 0 0 — 6 5 0 。C ，壓力為1 . 3 3 一 4 . 6 5X1 0 - 3 l)a InAlGaN外延層4 0的生長厚度為0 . 0 5 — 0 . 2 y m。
實(shí)施例
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1所示，本發(fā)明一種用MBE異質(zhì)外延InAlGaN 單晶薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟
選擇 一 襯底1 0 ，該襯底1 0為藍(lán)寶石襯底材料，藍(lán)寶石 的晶面為(0 0 0 1 )方向； 在襯底1 Q上采生長 一 層氮化層2 Q ，該氮化層2 Q的材 料為A1N，生長方式為將氨氣通入反應(yīng)室，同時(shí)提高襯底溫 度，其中生長氮化層2 0時(shí)，6 0 0 — 8 0 0 "C，壓力為l. 33 — 6.65X1 0 - 3 Pa，生長厚度0.0 02 — 0.05u
降低襯底1 0的溫度，生長成核層3 0 ，該成核層3 0的 材料為高溫A1N，生長方式為由高溫的Al坩堝中噴射出Al 原子和由射頻等離子體激發(fā)的氮?dú)猱a(chǎn)生的氮離子反應(yīng)生成，成 核層3 0的生長溫度為7 0 0 - 8 0 0 °C ， 1.33—4.65 XI 0-3Pa，生長厚度O.O 0 5-0.0 1 0 um;
最后再降低襯底l 0的溫度，生長高結(jié)晶質(zhì)量的InAlGaN 層4 0 ，生長方式為由高溫的In， Al和Ga坩堝中噴射出 In, Al和Ga原子和由射頻等離子體激發(fā)的氮?dú)猱a(chǎn)生的氮離子 反應(yīng)生成，InAlGaN外延層4 0的生長溫度為5 0 0 — 6 5
。。C，壓力為1.3 3 — 4.6 5X1 0- 3Pa，生長厚度O.
0 5 — 0 . 2 u m。
對(duì)由以上步驟獲得的樣品進(jìn)行測(cè)試分析，用此方法生長的 InAlGaN為晶體質(zhì)量較高的單晶InAlGaN，通過盧瑟福背散射 譜(圖3 )可以測(cè)的工n、 Al禾卩Ga的組分分別為3 %、 1 7 % 和8 0 %;在X射線e - 2 e衍射圖(圖4 )譜中，除了襯底藍(lán) 寶石(0 0 0 6 )衍射峰的存在，只有InAlGaN ( 0 0 0 2 ) 一個(gè)衍射峰。x射線搖擺曲線半峰寬小于1 2 arcmin (圖
5 )，其表面均方根粗糙度為4 nm (圖2 )。這說明本發(fā)明可以 提高InAlGaN外延膜的表面平整度并在藍(lán)寶石襯底上得到高 質(zhì)量的單晶InAlGaN外延膜。
本發(fā)明利用高溫A1N成核層技術(shù)解決了 InAlGaN與藍(lán)寶石 之間由于晶格失配，InAlGaN外延薄膜中容易產(chǎn)生的缺陷的問 題，并優(yōu)化了生長工藝，最終在藍(lán)寶石襯底上得到高質(zhì)量的單 晶InAlGaN外延膜。
權(quán)利要求
1.一種用MBE外延InAlGaN單晶薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟1)選擇一襯底；2)在襯底上采用分子束外延法生長一層氮化層，使得藍(lán)寶石表面形成生長氮化物的浸潤層；3)升高襯底的溫度；4)在氮化層上生長一層成核層，為生長InAlGaN提供與襯底相同取向的成核中心；5)降低襯底的溫度；6)在成核層上生長InAlGaN層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長InAlGaN單晶薄膜的方 法，其特征在于，其中所述襯底為藍(lán)寶石襯底。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長InAlGaN單晶薄膜的方 法，其特征在于，其中所述氮化層的材料為A1N。
4 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長InAlGaN單晶薄膜的方 法，其特征在于，其中所述成核層的材料為高溫A1N。
5 .根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的生長InAlGaN單晶薄膜 的方法，其特征在于，其中生長氮化層時(shí)，襯底的溫度為6 00 — 8 0 0 °C，壓力為1.3 3 — 6.6 5X1 0- 3Pa，氮化 層的生長厚度為0 . () 0 2 — 0 0 5 u m 。
6 .根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的生長I:nAlGaN單晶薄膜 的方法，其特征在于，其中成核層的生長溫度為7 Q Q- 8 0 0 。C ，壓力約1 . 3 3 — 4 , 6 5 X 1 Q - 3 Pa,成核層的生長 厚度為O.OO 2 — 0.0 5um。
7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長InAlGaN單晶薄膜的方 法，其特征在于，其中InAlGaN外延層的生長溫度為5 0 0 — 6 5 0°C， 壓力為1.3 3—4.6 5X1 0-3 Pa， InAlGaN 外延層的生長厚度為0 0 5 — 0 2 " ra。
全文摘要
一種用MBE外延InAlGaN單晶薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟1)選擇一襯底；2)在襯底上采用分子束外延法生長一層氮化層，使得藍(lán)寶石表面形成生長氮化物的浸潤層；3)升高襯底的溫度；4)在氮化層上生長一層成核層，為生長InAlGaN提供與襯底相同取向的成核中心；5)降低襯底的溫度；6)在成核層上生長InAlGaN層。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101114584SQ20061008894
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月27日
發(fā)明者劉宏新, 王保柱, 王軍喜, 王新華, 王曉亮, 王曉燕, 肖紅領(lǐng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所