專利名稱：一種AlN緩沖層的生長方法
技術領域：
本發明涉及金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術領域，特別涉及A1N緩沖層的生 長方法。
背景技術：
III族氮化物材料是重要的寬禁帶半導體材料，具有帶隙范圍寬(0.9eV-6.2eV)、擊穿電 場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強以及耐化學腐蝕等特點，這些優良的光、 電學性質以及優良的材料化學性能使III族氮化物材料在藍、綠、紫、紫外光及白光發光 二極管(LED)、短波長激光二極管(LD)、紫外光探測器和功率電子器件等半導體器件等領 域中有廣泛的應用前景。目前，可見光LEDs的制備和封裝技術已逐漸趨于成熟，人們把 目光轉向了短波長紫外或深紫外發光和探測器件的研究和制備。三元合金AlxGai.xN因為 其帶隙可以從3.42eV到6,2eV之間連續可調，可以廣泛應用在短波長深紫外(UV)發光、探 測以及白光照明LEDs中。紫外探測技術是繼紅外和激光探測技術之后發展起來的又一軍 民兩用的光電探測技術。太陽光盲深紫外探測器可有效探測到那些尾焰或羽焰中釋放出大 量紫外輻射的飛行目標，這就為導彈、戰機的探測提供了一種極其有效的手段。具體可以 應用在導彈的紫外制導和紫外告警等方面。在民用方面，紫外探測器可用于火災及燃燒過 程的監視和與生化有關的檢測等。發光波長在200-365nm之間的近紫外、紫外、深紫外波 段的LEDs在高密度光學數據存儲、水和空氣凈化與殺菌、以及白光照明領域有很大的應 用前景。高質量的A1N及高Al組分AlxGai.xN材料是深紫外探測器以及LEDs中的關鍵材 料。A1N因其帶隙較寬，被廣泛應用于襯底層，而AlGaN是重要的有源區材料。高質量的 A^Ga^N材料是實現深紫外發光和提高深紫外探測器探測性能的關鍵。
高Al組分的AlGaN材料生長在GaN模板層上會導致較嚴重的開裂現象，故A1N薄 膜被廣泛用來作為深紫外LED或探測器的模板層。A1N和高Al組分的AlxGai.xN(0.5Sx<l) 目前已經成為研究的熱點。和GaN相比，在藍寶石襯底上異質外延A1N和AlxGa^N材料 對生長條件的要求更為苛刻。因為Al原子比Ga原子的粘附系數大，Al原子表面遷移較低， 橫向生長速率慢，導致準二維層狀生長模式很難形成，很難得到光滑的表面。這就要求薄 膜的生長溫度大于1200°C，而對于采用三區加熱絲加熱的MOCVD設備來說，1200'C為極 限生長溫度。而且，鋁源(三甲基鋁(TMAl))和氮源(氨氣(NH3))之間存在強烈的預反
3應，預反應形成的固體加成物會沉積在樣品的生長表面而不能充分分解，導致外延層中雜 質摻入，造成外延層的多晶生長。這些原因導致A1N延層的表面粗糙并且存在高達101Dcm'2 的位錯密度。
目前，國際國內通用的生長方法為在藍寶石襯底上低溫(溫度600-90(TC)生長20nm左 右的A1N作為緩沖層，然后外延生長A1N或高Al組分AlxGa^N層。這種方法對緩沖層 的生長條件要求較為苛刻，而且，低溫AlN緩沖層不同于低溫GaN緩沖層，在升溫的過 程中退火行為不明顯，很難使接下來外延層的生長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密度。
發明內容
本發明的目的在于提供一種A1N緩沖層的生長方法，將該方法生長的A1N緩沖層作為 基礎來外延生長A1N或AlxGai.xN材料的外延層，可以有效降低外延層中的位錯密度。 本發明的技術方案如下
一種A1N緩沖層的生長方法，采用金屬有機化學氣相沉積(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 藍寶石襯底上生長50-150個周期的A1N緩沖層，具體每個周期依次通入3-10sTMAl，3-10s 載氣，3-10sNH3和3-10s載氣。
通常，生長過程如下
1) 首先，將反應室的溫度升高到100(TC-110(TC，將藍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)交替通入反應室的方法生長50-150個周期的高溫高壓脈沖A1N緩沖層， 具體每個周期依次通入3-10sTMAl， 3-10s載氣，3-10sNH3和3-10s載氣。
上述步驟l)烘烤襯底的溫度優選105(TC-110(rC。
為改善生長表面的質量，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，預通入5-30s TMA1進反應室，生長一鋁化層。該 步驟的生長溫度優選1100°C-1200°C，鋁源通入時間優選10-20s。
上述步驟2)的生長溫度優選1100°C-1200°C ，壓力優選150-200 torr， V/III優選400-600， V/III比可通過改變氨氣或TMA1流量實現。本發明采用高溫高壓脈沖方法來生長A1N作為緩沖層，在此基礎上，來外延生長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 層中的位錯密度。這種方法簡單易行，生長窗口寬。采用常用的X射線衍射(XRD)搖擺曲 線半高寬和透射電子顯微鏡(TEM)方法來表征外延層的晶體質量，結果表明，采用這一特 殊的緩沖層方法生長的AlN及AlxGa^N樣品和在藍寶石上直接高溫外延生長的樣品相比， 位錯密度大大下降，晶體質量提高。
圖1是本發明實施例1所制備的A1N樣品的結構示意圖。
圖2是本發明實施例1中在A1N緩沖層上生長的A1N外延層的TEM形貌，其中(a)、
(b)分別為g二0002和g-ldo。
圖3是本發明實施例2所制備的AlGaN樣品的結構示意圖。
圖4本發明實施2中生長于脈沖A1N緩沖層上的AlGaN樣品和在藍寶石襯底上直接 外延的AlGaN樣品的XRD(l02)面三晶搖擺曲線比較圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，通過實施例進一步描述本發明，但不以任何方式限制本發明的范圍。 實施例l:制備A1N樣品
制備過程如下，生長得到的樣品結構如圖l所示。
(1) 采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)設備，襯底1采用(0001)藍寶石襯底，將反 應室溫度升高到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，預通入TMA1進反應室，時間為 10s，生長幾個原子層厚的鋁化層2;
(3) 保持溫度不變，采用TMA1和NH3交替通入反應室的方法生長100個周期的脈沖 A1N緩沖層3，具體生長條件為壓力150torr， V/III600,每個周期依次通入5s TMA1, 3s氫氣，5sNH3， 3s氫氣；
(4) 保持生長溫度不變，采用通常的III族源和V族源同時通入反應室的方法連續生長 1.2 pm的A1N外延層4，生長壓力為50torr， V/III為400。
通過測量上述方法制備的A1N外延層中的位錯密度的變化可檢測這種高溫高壓脈沖A1N做為緩沖層的作用。具體采用TEM方法表征位錯的形貌和位錯密度的變化，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， 但是大量位錯在界面中斷、彎曲或湮滅，導致外延層中的位錯密度大大下降。
實施例2:制備AlGaN樣品
制備過程如下，生長得到的樣品結構如圖l所示。
(1) 使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)設備，襯底1采用(0001)藍寶石襯底，將反 應室溫度升高到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，預通入TMA1進反應室，時間為 10s，生長幾個原子層厚的鋁化層2;
G)保持溫度不變，采用TMA1和NH3交替通入反應室的方法生長100個周期的脈沖 A1N緩沖層3，具體生長條件為壓力150torr， V/III為600，每個周期依次通入5s TMA1， 3s氫氣，5sNH3, 3s氫氣； (4)保持生長溫度不變，采用標準工藝III族源和V族源同時通入反應室的方法連續生 長1.2拜的AlxGa丄.xN (x=0.6)外延層5，生長壓力為75torr， V/III為1000。 通過測量上述方法制備的AlGaN外延層中的位錯密度來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衍射測量AlGaN外延層(002)面和(102)面 的半寬來表征晶體質量。(002)的半寬反映的是晶體螺型位錯的位錯密度，(102)的半寬則綜 合反映了螺型位錯和刃型位錯的位錯密度，而對于III-V族半導體材料來說，晶體中主要的 位錯為刃型位錯，故可以采用XRD(102)面的半寬來表征AlGaN外延層的晶體質量。結果 如圖4所示，可以看出，在藍寶石上直接外延的AlGaN (即無脈沖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，表明位錯密度大大下降。
權利要求
1.一種AlN緩沖層的生長方法，采用金屬有機化學氣相沉積方法，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的脈沖方式在藍寶石襯底上生長50-150個周期的AlN緩沖層，具體每個周期依次通入3-10s TMAl，3-10s載氣，3-10s NH3和3-10s載氣。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟1) 將反應室的溫度升高到100(TC-110(rC，在氫氣氣氛中烘烤藍寶石襯底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交替通入反應室的脈沖方式生長50-150個周期的高溫高壓脈沖A1N緩沖層，每 個周期依次通入3-10sTMAl， 3-10s載氣，3-10sNH3和3-10s載氣。
3. 如權利要求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,預通入5-30s TMA1進反應室，生長一鋁化層。
5. 如權利要求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 通入時間為10-20s。
6. 如權利要求2 5中任一權利要求所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的溫度為1100 °C-1200°C 。
7. 如權利要求2 5中任一權利要求所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的壓力為 150-200 torr。
8. 如權利要求2 5中任一權利要求所述的方法，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比通過改變氨氣流量或 TMA1流量實現。
全文摘要
本發明提供了一種AlN緩沖層的生長方法，采用金屬有機化學氣相沉積方法，以氫氣作為載氣，TMAl和NH<sub>3</sub>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NH<sub>3</sub>的脈沖方式在藍寶石襯底上生長50-150個周期的AlN緩沖層，具體每個周期依次通入3-10s TMAl，3-10s載氣，3-10s NH<sub>3</sub>和3-10s載氣。這種方法簡單易行，生長窗口寬，在此基礎上來外延生長AlN或Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N(0≤x＜1)外延層，尤其是高Al組分的Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N外延層，可以有效降低外延層中的位錯密度，提高晶體質量。
文檔編號C23C16/455GK101580930SQ20081010641
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月13日 優先權日2008年5月13日
發明者于彤軍, 張國義, 浩 方, 楊志堅, 桑立雯, 秦志新 申請人:北京大學