CN103094421A - 一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法，其步骤：1)在蓝宝石衬底上生长AlInN薄层；2)在AlInN薄层上生长一层薄的低温AlN层；3)高温退火获得自图形化AlN缓冲层；4)在自图形化AlN缓冲层上生长AlN材料。本发明的优点在于：以器件内自建图形的方法代替器件外二次外延，大大降低了侧向外延技术的生产成本。

Description

一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及半导体器件，是一种新型AlN材料的制作方法，可用于通信领域，红外、紫外探测领域及白光照明领域。

背景技术

近十年来，以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物半导体材料与器件发展迅猛，被称为继以硅为代表的第一代半导体、以砷化镓为代表的第二代半导体后的第三代半导体。GaN作为直接带隙的宽禁带半导体材料，可与氮化铟（InN）, 氮化铝（AlN）形成禁带宽度连续可变的三元或四元固溶体合金铟镓氮（InGaN）、铝镓氮（AlGaN）和铝铟镓氮（AlInGaN），其对应的波长覆盖了从红外到深紫外光范围，在光电子领域具有极大的应用前景。目前，通过GaN及其固溶体合金材料，已经制作了覆盖紫外到白光发光二极管、半导体激光器、高频高功率的高电子迁移率晶体管等各类器件，广泛应用于通信、紫外探测、红外探测、白光照明等领域。

III族氮化物材料在常温下具有稳定的纤锌矿结构，不具有中心反演对称性，并且III族元素的原子和N原子的电负性相差很大，导致III族氮化物及其异质结在方向具有很强的自发极化和压电极化。目前，III族氮化物的研究主要是在极性c面上开展的，然而如前所述，c面上存在强极化效应，由强极化效应引起的强极化电场给器件的制作与应用带来了诸多问题。首先，强极化电场会引起量子限制斯塔克效应，量子限制斯塔克效应使得发光二级管（LED）阱区量子阱中电子和空穴在空间上分离，减小了电子、空穴复合效率；量子限制斯塔克效应还会造成LED发光波长的红移。其次，强极化电场使得c面高电子迁移率晶体管中存在着电流崩塌效应，这是目前限制高速电子迁移率晶体管（HEMT）器件实用化的主要问题（电流崩塌效应是指器件在应力、脉冲或者射频等工作条件下，器件输出电流减小、输出功率和增益降低等导致器件性能恶化的现象）。强极化电场还会引起c面AlGaN/GaN异质结沟道中高浓度二维电子气，使得在c面AlGaN/GaN异质结上很难制备出高性能的零栅电压时常闭态工作的异质结场效应晶体管，即增强型场效应晶体管。总之，如此强的极化电场为c面器件给实际的应用带来了诸多的不便。

为了规避c面上存在的强极化效应，部分学者试图在非极性或者半极性的III族氮化物材料上研制相关器件。1990年，几个研究小组试图通过不同的方法在不同的衬底上生长非极性平面m面GaN和非极性a面GaN。但是薄膜的品体质量非常差以至于不能达到器件的要求。在2000年，Waltereit等人首次报道了使用分子束外延（MBE）在铝酸锂（LiAlO₂）衬底上生长m面 GaN/AlGaN量子阱。自此，非极性生长的研究开始加速，并在利福尼亚大学的先驱者的帮助下，取得重大进步。2002年，Craven等人首次报道了使用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石r面和碳化硅（SiC） a面上生长并得到器件级质量水平的a面GaN。Haskell等人也报道了使用氢化物气相沉积（HVPE）生长高质量的a面GaN。然而生长非极性a面薄膜的MOCVD生长参数的范围很窄，而且对生长变量如反应腔压力，温度和源流量的变化非常敏感。另外，a面的外延缺陷密度是非常高的，达到10¹⁰cm^-2。各种方法包括一次横向外延生长和二次横向外延生长都用于减少这些缺陷密度。由于a面GaN生长窗口很窄，横向外延生长的岛的愈合及得到可重复的结果是非常困难的。现如今，由于MOCVD法不能承受更高的生长温度，生长m面GaN更多的是使用HVPE和MBE的方法。尽管Chen等人报道过一次在HVPE独立生长的m面GaN上使用MOCVD同质外延GaN薄膜，但是商业m面碳化硅（SiC）的出现使本论文中首个器件级质量水平的同质外延GaN薄膜的实现成为可能。同时可以看到，目前大部分基于非极性面GaN材料上的研究主要集中在GaN材料的生长，但是使用GaN作为生长材料，后续生长的AlN、AlGaN等会受到很强的张应力，更容易产生裂纹，造成晶体质量变差。正是出于这个原因，本发明中AlN生长材料的研制是后续外延层生长的必需。

导致非极性面材料晶体质量差的一个主要原因是：非极性面上生长的材料有着很强的各向异性结构，这种结构上的各向异性会导致生长速率上的各向异性，最终降低了表面形貌和晶体质量。为了解决不同方向上各向异性的问题，减少外延层的缺陷密度，一个很重要的方法是：横向外延生长，即通过模板做图形掩膜，限制某个方向的生长速度，使得不同方向上的各向异性降低，从而提高晶体质量和表面形貌。但是器件外二次横向外延的方法严重增加了生长过程的复杂度，也增加了材料生长的消耗。为了规避器件二次外延，本发明提供了一种新型的器件内自图形化生长AlN材料的方法，从而降低了器件制作所需的生产成本。

发明内容

本发明目的是在于解决上述提到的关键问题，提出采用通过高温退火铝铟氮（AlInN）产生自建图形化AlN缓冲层，以此为基础外延生长AlN材料的方法。

本发明的技术方案为：一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法，其步骤：1)在蓝宝石衬底上采用MOCVD生长AlInN薄层；2)在AlInN薄层上生长一层薄的低温AlN层；3)高温退火获得自图形化AlN缓冲层；4)在自图形化AlN缓冲层上生长AlN材料。AlN材料是脉冲原子沉积法和普通生长方法交替生长的；同时AlN材料可以是非极性a面AlN，或者极性c面AlN。所述的蓝宝石衬底，蓝宝石衬底可以使r面蓝宝石衬底，或者c面蓝宝石衬底。所述的AlInN层， In组分为10%-20%，厚度为20-50nm。 

本发明的优点在于：以器件内自建图形的方法代替器件外二次外延，大大降低了侧向外延技术的生产成本。

附图说明

图1为本发明外延材料结构的截面示意图。

图中：

1-蓝宝石衬底、2-AlInN层、3-低温AlN缓冲层、4-自图形化AlN缓冲层、5、7、9-脉冲原子沉积生长的高温AlN层、6、8、10-连续生长的高温AlN层。

具体实施方式

步骤1，采用MOCVD工艺生长AlInN薄层。

将r面蓝宝石衬底清洗干净，并装入MOCVD反应腔，首先在1020℃下退火烘烤5分钟，之后在氨气（NH₃）气氛1100℃下氮化5分钟。然后降温至780℃，沉积30nm的AlInN薄层。生长过程中保持反应腔压力为40mTorr，氨气流量1500sccm。

步骤2，沉积低温AlN层

在上述步骤后，降温至600℃，沉积一层40nm的低温AlN层。生长过程中反应腔压力为40mTorr，氢气流量1500sccm，氨气流量1500sccm。 

步骤3，高温退火，形成自图形化AlN缓冲层

在上述步骤完成后，升温至1300℃，将低温AlN/AlInN在器件内退火5分钟，产生图形化AlN缓冲层（如图一4所示）。

步骤4，脉冲原子沉积与连续沉积方法沉积AlN材料

升温至1000℃，采用脉冲原子沉积生长AlN 50分钟：仅通入Al源0.15分钟，同时通入Al源、氨气0.1分钟，此步骤重复进行200次（如图一5、7、9）。其间，腔压保持40mTorr，氨气流量1500sccm。之后升温至1100℃，连续生长AlN层60分钟（如图一6、8、10），腔压40mTorr，氨气流量2500sccm。

本发明的利用AlInN自图形化来提高a面AlN材料晶体质量的MOCVD生长方法还可以推广到c面AlN模板生长工艺中。

Claims (4)

1.一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法，其步骤：1)在蓝宝石衬底上生长AlInN薄层；2)在AlInN薄层上生长一层薄的低温AlN层；3)高温退火获得自图形化AlN缓冲层；4)在自图形化AlN缓冲层上生长AlN材料。

2.根据权利要求1所述一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法，其特征在于：AlN材料是脉冲原子沉积法和普通生长方法交替生长的；同时AlN材料可以是非极性a面AlN。

3.根据权利要求1所述一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法，其特征在于： 所述的蓝宝石衬底，其特征蓝宝石衬底可以使r面蓝宝石衬底。

4. 根据权利要求1所述一种利用AlInN自图形化模板提高a面AlN质量的方法，其特征在于：所述的AlInN层，其特征在于In组分为10%-20%，厚度为20-50nm。

Images