專利名稱：生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指高質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的外延生長方法。
背景技術(shù)：
III-V族化合物半導(dǎo)體氮化銦(InN)由于其獨特的物理、化學(xué)性能，受到了越來越廣泛的關(guān)注和研究。在III-V族氮化物中，InN具有最小的有效質(zhì)量，在理論上具有最高的載流子遷移率，所以它在高速器件方面有著很廣闊的應(yīng)用前景。同時在III-V族氮化物中，氮化銦還有著最小的直接帶隙，使得它成為紅外波長發(fā)光器件的合適材料。但目前InN的體單晶制備非常困難，到目前還沒有關(guān)于體單晶制備的相關(guān)報道。同時由于InN具有很低的分解溫度，和缺少與之相匹配的異質(zhì)襯底材料，這使得InN單晶外延薄膜的制備也變得異常困難。目前人們對InN的研究還處于起始階段，InN主要還是在大失配襯底藍寶石(0001)，硅(111)或碳化硅(0001)等晶面上進行外延生長。在八十年代以前，盡管人們嘗試了很多方法如采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，分子束外延(MBE)，離子濺射，但得到的大多還都只是多晶的InN外延膜。九十年代后，已經(jīng)可以得到單晶的InN外延膜，但結(jié)晶質(zhì)量還需要進一步提高?？偟膩碚f，目前InN的單晶質(zhì)量離器件制作的要求還有一定距離，還需要得到進一步的提高和完善。
本發(fā)明以前的InN外延生長方法大多采用MBE或者MOCVD在襯底上直接外延生長InN，或者單獨采用單層AlN，GaN作為緩沖層這樣雖然在一定程度上能夠解決InN外延膜和襯底的晶格匹配問題，但由于緩沖層的質(zhì)量問題，外延InN層和緩沖層之間的熱失配問題沒有得到很好的解決，使得InN外延膜的晶體質(zhì)量還不是很高，表面不夠光滑。同時因為InN的分解溫度比較低，在生長過程中對表面的N平衡氣壓要求比較高，所以在InN外延膜中都會含有少量的銦滴，存在生長條件的優(yōu)化和控制問題。由于這些問題的存在，使得InN的外延膜單晶質(zhì)量不是很高，達不到器件制作的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其方法是先通過將藍寶石襯底暴露在氮氣氛中生長一薄層氮化鋁，然后再低溫外延一層InN緩沖層，這樣可以有效地提高緩沖層的質(zhì)量；然后采用低溫InN緩沖層，再在上面同質(zhì)外延InN，這樣可以最大限度地解決InN外延膜和藍寶石襯底之間的晶格失配和熱失配問題；同時優(yōu)化生長條件，如溫度、壓力的控制，通過這些措施可以有效地提高InN外延膜的質(zhì)量，并提高表面的平整度。
本發(fā)明一種生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底；在襯底上采用分子束外延法生長一層氮化層；降低襯底的溫度，生長緩沖層；最后升高襯底的溫度，生長高結(jié)晶質(zhì)量的氮化銦層。
其中所述襯底為藍寶石襯底。
其中所述氮化層的材料為氮化鋁。
其中所述緩沖層的材料為低溫氮化銦。
其中生長氮化層時，襯底溫度為700-800℃，壓力為1.0-5.0×10-5torr，生長厚度0.002-0.01μm。
其中低溫緩沖層的生長溫度為300-400℃，壓力為1.0-3.0×10-5torr，生長厚度0.02-0.05μm。
其中氮化銦外延層的生長溫度為450-550℃，壓力為1.5-3.0×10-5torr，生長厚度0.1-1μm。


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實施方式
及附圖對本發(fā)明作一詳細的描述，其中圖1是本發(fā)明的高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜生長結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的雙晶X射線θ-2θ掃描測試結(jié)果；圖3是本發(fā)明的高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的雙晶X射線搖擺曲線半峰寬測試結(jié)果；圖4是本發(fā)明的高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的表面粗糙度RMS測試結(jié)果。
具體實施例方式
本發(fā)明關(guān)鍵在于解決InN異質(zhì)生長過程中的晶體質(zhì)量比較差的問題。由于InN外延生長過程中沒有匹配的襯底，在加上InN本身的分解溫度很底，生長條件很難控制，使得InN單晶的外延生長異常困難。本發(fā)明為了解決InN外延層與藍寶石襯底匹配的問題，提出了采用低溫InN作為緩沖層，同時又提出在生長低溫InN緩沖層之前將藍寶石襯底暴露在氮氣氛中生長一層氮化鋁以提高低溫InN緩沖層的質(zhì)量的解決方案，這樣使得外延InN在相對質(zhì)量較高的低溫InN緩沖層上同質(zhì)外延生長，同時優(yōu)化MBE的生長條件達到提高外延InN膜晶體質(zhì)量的目的。
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底10，該襯底10為藍寶石襯底材料；在襯底10上采用分子束外延法生長一層氮化層20，該氮化層20的材料為氮化鋁，其中生長氮化層20時，襯底溫度為700-800℃，壓力為1.0-5.0×10-5torr，生長厚度0.002-0.01μm。；降低襯底10的溫度，生長緩沖層30，該緩沖層30的材料為低溫氮化銦，其中低溫緩沖層30的生長溫度為300-400℃，壓力為1.0-3.0×10-5torr，生長厚度0.02-0.05μm；最后升高襯底10的溫度，生長高結(jié)晶質(zhì)量的氮化銦層40，其中氮化銦外延層40的生長溫度為450-550℃，壓力為1.5-3.0×10-5torr，生長厚度0.1-1μm。
由以上步驟對樣品進行測試分析，用此方法生長的氮化銦材料為單晶，晶體結(jié)晶質(zhì)量高且表面平整。使用雙晶X射線衍射方法證實該材料的(0002)而的θ-2θ衍射圖譜中只有InN(0002)和藍寶石(0006)峰存在，沒發(fā)現(xiàn)單質(zhì)銦的衍射峰(圖2中)。雙晶X射線衍射方法還證實該材料(0002)面的搖擺曲線半峰寬小于14arcmin.(圖3中)。原子力顯微鏡(AFM)測試方法證實該材料表面粗糙度(RMS)小于4nm(圖4中)。這說明本發(fā)明可以提高InN外延膜的表面平整度并在藍寶石襯底上得到高結(jié)晶質(zhì)量的InN單晶外延膜。
本發(fā)明利用改進的生長結(jié)構(gòu)用高質(zhì)量的低溫InN緩沖層技術(shù)解決了外延膜與藍寶石襯底之間的熱失配和晶格失配問題，并優(yōu)化了生長工藝，最終在藍寶石襯底上得到高質(zhì)量的單晶InN外延膜。
權(quán)利要求
1.一種生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底；在襯底上采用分子束外延法生長一層氮化層；降低襯底的溫度，生長緩沖層；最后升高襯底的溫度，生長高結(jié)晶質(zhì)量的氮化銦層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，其中所述襯底為藍寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，其中所述氮化層的材料為氮化鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，其中所述緩沖層的材料為低溫氮化銦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，其中生長氮化層時，襯底溫度為700-800℃，壓力為1.0-5.0×10-5torr，生長厚度0.002-0.01μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，其中低溫緩沖層的生長溫度為300-400℃，壓力為1.0-3.0×10-5torr，生長厚度0.02-0.05μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，其中氮化銦外延層的生長溫度為450-550℃，壓力為1.5-3.0×10-5torr，生長厚度0.1-1μm。
全文摘要
一種生長高結(jié)晶質(zhì)量氮化銦單晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底；在襯底上采用分子束外延法生長一層氮化層；降低襯底的溫度，生長緩沖層；最后升高襯底的溫度，生長高結(jié)晶質(zhì)量的氮化銦層。
文檔編號C30B25/02GK1704507SQ20041004619
公開日2005年12月7日 申請日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月2日
發(fā)明者肖紅領(lǐng), 王曉亮, 王軍喜, 張南紅, 劉宏新, 曾一平 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所