專利名稱：一種生長AlInN單晶外延膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種生長高質(zhì)量AlInN單晶外延膜的方 法。
背景技術(shù)：
A1N的帶隙寬度為6. 2eV， InN的為0. 7eV，所以AlInN的帶隙寬度具有很大的可調(diào) 范圍。如果作為氮化物半導(dǎo)體光電子器件的有源層，其發(fā)光波長可以覆蓋從紅外到紫外的 范圍；此外，AlInN的晶格常數(shù)同樣也有很大的可調(diào)范圍，使它能夠與其他的外延層有很好 的晶格匹配，如AlInN/GaN、AlInN/InGaN和AlInN/AlGaN，尤其可以制作與GaN晶格匹配的 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這樣可以減少由于晶格失配帶來的缺陷或者裂紋。 近來，AlInN/GaN和AlInN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功應(yīng)用到布拉格反射鏡(DBRs) 上。在九十年代中期以前，很少人研究AlInN的生長，人們主要嘗試用磁控濺射來生長 AlInN外延膜，但得到的為多晶的AlInN。九十年代中期以后，對AlInN的研究有了較大的發(fā) 展，這些研究主要是采用MOCVD外延方法研究AlInN在不同襯底上的生長，所制備的AlInN 外延膜結(jié)晶質(zhì)量得到顯著提高。 目前采用MOCVD生長AlInN合金主要采用藍(lán)寶石襯底，生長方法主要有(1)直接 在藍(lán)寶石襯底上生長；(2)兩步法在藍(lán)寶石襯底上先生長低溫A1N緩沖層，然后再生長 AlInN;(3)兩步法生長出高質(zhì)量的GaN外延層，然后再生長AlInN;(4)在襯底上先生長高 溫AlN緩沖層，然后再生長AlInN。目前生長的AlInN晶體質(zhì)量最好的是采用第三種方法， 其中與GaN晶格匹配的AlInN晶體質(zhì)量最好。 本發(fā)明以前采用MOCVD方法外延AlInN以氮?dú)庾鳛檩d氣，以二步法的GaN外延層 作為襯底，已經(jīng)在很大程度上提高了 AlInN的晶體質(zhì)量。但是由于AIN材料的生長要求的 溫度比較高，同時V/ni比不能大，低氨氣流量，而InN材料生長則正好相反，要求生長溫度 低，V/III比大，高氨氣流量，所以A1N和InN材料的生長對生長條件的要求正好是III族 氮化物材料的兩個極端，導(dǎo)致AlInN的生長窗口比較窄；另外，由于A1N和InN的晶格參數(shù)、 鍵長及其熱穩(wěn)定性差別等比較大，與InGaN相比，AlInN更容易發(fā)生相分離，導(dǎo)致組分的不 均勻。 此外，在較低的生長溫度下，表面吸附原子的遷移能力比較低，尤其是吸附的Al 原子，生長高質(zhì)量的AlInN單晶外延膜比較困難。由于這些問題的存在，使得AlInN單晶外 延膜的結(jié)晶質(zhì)量還不是很高，影響其進(jìn)一步的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問題 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種生長AlInN單晶外延膜的方法，以提 高AlInN的結(jié)晶質(zhì)量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。
( 二 )技術(shù)方案
3
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種生長AlInN單晶外延膜的方法，包括如下步 驟 選擇一襯底； 將襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)內(nèi)，升溫至生長溫度，同時通入三甲基 銦TMIn、三甲基鋁TMA1、氨氣朋3，氮?dú)釴2和適量氫氣H2，生長出AlInN單晶外延膜。
上述方案中，所述襯底為藍(lán)寶石、GaN、AlN、Si、SiC和GaAs中任一種或至少兩種構(gòu) 成的復(fù)合襯底。 上述方案中，所述AlInN外延膜的生長溫度為720至860°C ，壓力為20至160Torr。
上述方案中，在氣相中所述三甲基銦TMIn與三甲基鋁TMA1的摩爾流量比為1至 8。 上述方案中，所述適量氫氣H2和氮?dú)釴2作為載氣，二者的摩爾比為0至0. 6。 上述方案中，所述通入三甲基銦TMIn的速率為5 50 y mol/min，通入三甲基鋁
TMA1的速率為5 10 ii mol/min，通入氨氣NH3的速率為3. 5 7slm。 上述方案中，該方法在生長出AlInN單晶外延膜后進(jìn)一步包括以氮?dú)夂瓦m量氫
氣作為保護(hù)氣體退火至300°C。(三)有益效果 本發(fā)明提供的這種生長AlInN單晶外延膜的方法，是在生長AlInN時以氮?dú)夂瓦m 量氫氣作為載氣，由于氫氣可以影響到表面In原子的反應(yīng)壽命，使得In的反應(yīng)壽命變短， 從而可以有效抑制AlInN中富In區(qū)的出現(xiàn)，減小AlInN中的相分離。同時由于氫氣能一定 程度上減小AlInN中的C、H、0等雜質(zhì)的濃度和增強(qiáng)表面吸附的Al和In原子的橫向遷移能 力，因此可以提高AlInN的結(jié)晶質(zhì)量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。


圖1是本發(fā)明生長AlInN單晶外延膜的方法流程圖； 圖2是本發(fā)明生長的高質(zhì)量AlInN單晶外延膜生長結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的高質(zhì)量AlInN單晶外延膜與以氮?dú)庾鳛檩d氣生長的AlInN外延膜
的三晶X射線"_2 e掃描測試結(jié)果的對比； 圖4是本發(fā)明的高質(zhì)量AlInN單晶外延膜與以氮?dú)庾鳛檩d氣生長的AlInN外延膜
的雙晶X射線搖擺曲線半高寬和由盧瑟福背散射得到的最小產(chǎn)額的對比； 圖5(a)是以氮?dú)庾鳛檩d氣生長的AlInN外延膜的SEM表面； 圖5(b)和圖5(c)是本發(fā)明的高質(zhì)量AlInN單晶外延膜的SEM表面。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。 本發(fā)明的關(guān)鍵在于提供一種生長高質(zhì)量AlInN單晶外延膜的方法。由于A1N和InN 的晶格參數(shù)、鍵長及其熱穩(wěn)定性差別等比較大，AlInN很容易發(fā)生相分離，導(dǎo)致組分的不均 勻。此外，在較低的生長溫度下，表面吸附原子的遷移能力比較低，尤其是吸附的Al原子， 生長高質(zhì)量的AlInN單晶外延膜比較困難。本發(fā)明為了解決AlInN生長時容易出現(xiàn)相分離
4和表面遷移能力低的問題，提出了在生長AlInN時以氮?dú)夂瓦m量氫氣作為載氣，由于氫氣 可以影響到表面In原子的反應(yīng)壽命，使得In的反應(yīng)壽命變短，從而可以有效抑制AlInN中 富In區(qū)的出現(xiàn)，減小AlInN中的相分離。同時由于氫氣能一定程度上減小AlInN中的C、H、 0等雜質(zhì)的濃度和增強(qiáng)表面吸附的A1和In原子的橫向遷移能力，因此可以提高AlInN的結(jié) 晶質(zhì)量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。 如圖1所示，圖1是本發(fā)明生長AlInN單晶外延膜的方法流程圖，包括如下步驟
步驟1、選擇一襯底； 步驟2、將襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)內(nèi)，升溫至生長溫度，同時通入 三甲基銦TMIn、三甲基鋁TMA1、氨氣朋3，氮?dú)釴2和適量氫氣H2，生長出AlInN單晶外延膜。
步驟1中所述襯底為藍(lán)寶石、GaN、AlN、Si、SiC和GaAs中任一種或至少兩種構(gòu)成 的復(fù)合襯底。 步驟2中所述AlInN外延膜的生長溫度為720至860°C ，優(yōu)選800°C ，壓力為20至 160Torr，優(yōu)選60Torr。 在氣相中所述三甲基銦TMIn與三甲基鋁TMAl的摩爾流量比為1至8。適量氫氣H2 和氮?dú)釴2作為載氣，二者的摩爾比為0至0. 6。通入三甲基銦TMIn的速率為5 50 y mo1/ min，通入三甲基鋁TMA1的速率為5 10 y mol/min，通入氨氣NH3的速率為3. 5 7slm。
該方法在生長出AlInN單晶外延膜后進(jìn)一步包括以氮?dú)夂瓦m量氫氣作為保護(hù)氣 體退火至300°C。 圖2示出了本發(fā)明生長的高質(zhì)量AlInN單晶外延膜生長結(jié)構(gòu)示意圖。選擇一襯底 10，該襯底為氮化鎵/藍(lán)寶石復(fù)合襯底材料；將襯底10放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng) 內(nèi)升溫至生長溫度，同時通入三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMA1)、氨氣(NH3)，生長溫度為 80(TC，壓力為60Torr，其中載氣中氫氣與氮?dú)獾哪柋确謩e為0、0. 1和0. 25，生長厚度為 250nm。 對由以上步驟獲得的樣品進(jìn)行測試分析，證明由此方法生長的AlInN材料為單 晶，與以氮?dú)庾鳛檩d氣生長的AlInN外延膜相比，結(jié)晶質(zhì)量提高且表面更平整，樣品(a)、 (b)和(c)中載氣中氫氣和氮?dú)饽柋确謩e為0、0. l和0.25，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。
圖3中為樣品(a) 、 (b)和(c)的(0002)三晶"_2 e衍射圖譜，可以看出，以氮?dú)?為載氣時，AlInN的衍射峰出現(xiàn)了一個肩膀(圖3(a))，而當(dāng)在載氣中加入氫氣時，衍射峰沒 有明顯的分裂并且衍射峰的半高寬變小(圖3(b)和圖3(c))，說明在載氣加入氫氣能夠減 弱AlInN中的相分離。從樣品的三晶(0002)面的"掃描半高寬和由RBS/C得到的最小產(chǎn) 額可以看出(圖4)，在載氣中加入氫氣后，樣品co掃描半高寬變化不大，但最小產(chǎn)額隨著氫 氣的增加變小，說明了樣品晶體質(zhì)量的提高。由AFM圖片(圖5)看出，在載氣中加入氫氣， 可以促進(jìn)AlInN的橫向生長，使樣品的的形貌由以氮?dú)鉃檩d氣時的島狀(圖5(a))到以氫 氣和氮?dú)饣旌陷d氣時的連續(xù)的薄膜(圖5(b)和圖5(c)。這說明本發(fā)明可以提高AlInN外 延膜的表面平整度并得到高質(zhì)量的AlInN單晶外延膜。 本發(fā)明利用改進(jìn)的生長方案采用在AlInN生長過程中通過在氮?dú)廨d氣中加入適 量氫氣解決了 AlInN外延生長時容易出現(xiàn)相分離和表面不平整問題，改善了生長工藝，最 終得到高質(zhì)量的AlInN單晶外延膜。 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳
5細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種生長AlInN單晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步驟選擇一襯底；將襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)內(nèi)，升溫至生長溫度，同時通入三甲基銦TMIn、三甲基鋁TMAl、氨氣NH3，氮?dú)釴2和適量氫氣H2，生長出AlInN單晶外延膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長AlInN單晶外延膜的方法，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶 石、GaN、AlN、Si、SiC和GaAs中任一種或至少兩種構(gòu)成的復(fù)合襯底。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長AlInN單晶外延膜的方法，其特征在于，所述AlInN外延 膜的生長溫度為720至860。C，壓力為20至160Torr。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長AlInN單晶外延膜的方法，其特征在于，在氣相中所述三 甲基銦TMIn與三甲基鋁TMA1的摩爾流量比為1至8。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長AlInN單晶外延膜的方法，其特征在于，所述適量氫氣H2 和氮?dú)釴2作為載氣，二者的摩爾比為0至0. 6。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長AlInN單晶外延膜的方法，其特征在于，所述通入三甲基 銦TMIn的速率為5 50 ii mol/min，通入三甲基鋁TMA1的速率為5 10 ii mol/min，通入 氨氣NH3的速率為3. 5 7slm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生長AlInN單晶外延膜的方法，其特征在于，該方法在生長出 AlInN單晶外延膜后進(jìn)一步包括以氮?dú)夂瓦m量氫氣作為保護(hù)氣體退火至3Q(TC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用氮?dú)?、氫氣混合氣作為載氣生長高質(zhì)量AlInN單晶外延膜的方法，包括如下步驟選擇一襯底；將襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)內(nèi)，升溫至生長溫度，同時通入三甲基銦TMIn、三甲基鋁TMAl、氨氣NH3，氮?dú)釴2和適量氫氣H2，生長出AlInN單晶外延膜。利用本發(fā)明，可以提高AlInN的結(jié)晶質(zhì)量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。
文檔編號C30B25/02GK101736398SQ20081022578
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者劉宗順, 盧國軍, 張書明, 朱建軍, 楊輝, 趙德剛 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所