專利名稱：一種生長AlN或AlGaN薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種A1N和高Al 組分AlGaN薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
III族氮化物半導(dǎo)體三元合金AlGaN材料因?yàn)槠鋷犊梢詮?.42eV到6.2eV之間連續(xù) 可調(diào)，可以廣泛應(yīng)用在短波長深紫外(UV)發(fā)光、探測以及白光照明LEDs中。紫外探測技 術(shù)是繼紅外和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一軍民兩用的光電探測技術(shù)。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(biāo)，例如導(dǎo)彈、噴 氣式飛機(jī)等。在飛行過程中，尾焰或羽焰中不可避免的會(huì)釋放出大量紫外輻射，這就為導(dǎo) 彈、戰(zhàn)機(jī)的探測提供了一種極其有效的手段。具體可以應(yīng)用在導(dǎo)彈的紫外制導(dǎo)和紫外告警 等方面。在民用方面，紫外探測器可用于火災(zāi)及燃燒過程的監(jiān)視和與生化有關(guān)的檢測等。 發(fā)光波長在200-365nm之間的近紫外、紫夕卜、深紫外波段的LEDs在高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 水和空氣凈化與殺菌以及白光照明領(lǐng)域，有很大的應(yīng)用前景。高質(zhì)量的A1N及高Al組分 AlxGakN材料是深紫外探測器以及LEDs中的關(guān)鍵材料。A1N因其帶隙較寬，被廣泛應(yīng)用 于襯底模板層，而AlGaN是重要的有源區(qū)材料。高質(zhì)量的AlxGa"N材料是實(shí)現(xiàn)深紫外發(fā) 光和提高深紫外探測器探測性能的關(guān)鍵。和GaN相比，在藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延A1N及 高Al組分的AlxGai.xN單晶對生長條件的要求更為苛刻。因?yàn)锳l原子比Ga原子的粘附系 數(shù)大，表面遷移較低，A1N的橫向生長速率慢，導(dǎo)致準(zhǔn)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AIN薄膜的生長溫度大于1200°C，而對于采用三區(qū)加熱絲加熱 的MOCVD設(shè)備來說，此為極限生長溫度。而且，鋁源三甲基鋁(TMA1)和氮源氨氣(NH3) 之間存在強(qiáng)烈的預(yù)反應(yīng)，預(yù)反應(yīng)形成的固體加成物會(huì)沉積在樣品的生長表面而不能充分分 解，導(dǎo)致外延層中雜志摻入，造成外延層的多晶生長。這些原因?qū)е翧IN或AlGaN外延 層的表面粗糙并且存在高達(dá)101Qcm—2的位錯(cuò)密度。因此，提高外延A1N及高Al組分 AlxGai.xN晶體質(zhì)量以及表面形貌是研究的熱點(diǎn)之一。
如中國專利申請200610019545.2報(bào)道的低溫高溫復(fù)合緩沖層方法提高AlGaN薄膜的 晶體質(zhì)量和表面平整度，但此方法的生長過程較為復(fù)雜，對緩沖層的條件要求較為苛刻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡單易行的改善A1N和高Al組分AlGaN的表面形貌并提 高晶體質(zhì)量的方法，以有效降低外延層中的位錯(cuò)密度，提高薄膜的表面平整度。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種生長A1N或AlGaN薄膜的方法，在用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法于 1050-1200。C生長AIN或AlGaN薄膜時(shí)通入三甲基銦(TMIn)作為活性劑。
上述方法中，AIN及AlGaN薄膜一般是在藍(lán)寶石襯底上外延生長，采用高純氫氣(H2) 作為載氣，三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA1)和氨氣(NH3)分別作為Ga源、A1源和N源， TMGa、 TMA1、 TMIn和NH3同時(shí)通入反應(yīng)室，其中TMIn的流量一般為40-400sccm，優(yōu) 選為150-300sccm。
上述方法在AIN或AlGaN薄膜的生長過程中，通?？刂茐毫υ?0-200torr之間，優(yōu)選 50陽100torr; V/III在40-2000之間，優(yōu)選為50-1000。
為進(jìn)一步提供高AIN及AlGaN外延層的質(zhì)量，可以以氫氣為載氣，在溫度 1050°C-1200°C，壓力100-200torr， V/III 400-800的條件下，采用交替通入三甲基鋁(TMA1) 和NH3的脈沖方式在藍(lán)寶石襯底上先生長50-150個(gè)周期的AIN層作為緩沖層，具體每個(gè) 周期依次通入3-10sTMAl， 3-10s載氣，3-10s NH3和3-10s載氣。該脈沖AIN緩沖層的生 長溫度優(yōu)選1100°C-1200°C，壓力優(yōu)選150-200 torr， V/III優(yōu)選400-600。
本發(fā)明通過在常規(guī)生長AIN及AlGaN時(shí)通入適量的TMIn作為活性劑來改善AIN及 AlGaN薄膜的晶體質(zhì)量以及表面平整度。TMIn作為活性劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于GaN材料中， 不僅可以提高異質(zhì)外延GaN層的發(fā)光特性，而且還可以改善表面形貌。在本發(fā)明所采用的 實(shí)驗(yàn)方法中，生長溫度為1050-1200°C，高于InN的分解溫度，所以，In在AlN或AlGaN 中不參與形成組分，只起到活性劑的作用。
通過原子力顯微(AFM)方法表征樣品的表面粗糙度，釆用X射線衍射(XRD)三晶搖 擺曲線半峰寬來表征樣品的晶體質(zhì)量，可以看出，采用這一特殊方法所得的AIN和AlGaN 樣品和通常條件生長的樣品相比，表面粗糙度明顯下降，并且晶體質(zhì)量提高。


圖1是實(shí)施例1在含TMIn氣氛和不含TMIn氣氛中所生長的AIN的XRD(002)面 2e-o)掃描結(jié)果比較圖。圖2a顯示了實(shí)施例1含TMIn氣氛中生長的A1N的AFM表面形貌； 圖2b顯示了實(shí)施例1沒有在含TMIn氣氛中生長的A1N的AFM表面形貌。 圖3a顯示了實(shí)施例2含TMIn氣氛中生長的A1N的AFM表面形貌； 圖3b顯示了實(shí)施例2沒有在含TMIn氣氛中生長的A1N的AFM表面形貌。 圖4實(shí)施例3在含TMIn氣氛中生長的AlGaN和沒有在含TMIn氣氛中生長的AlGaN 的XRD(002)面半峰寬比較圖。
圖5a是實(shí)施例4在含TMIn氣氛中生長的AlGaN的XRD(102)面搖擺曲線圖5b是實(shí)施例4沒有在含TMIn氣氛下生長的AlGaN的XRD(102)面搖擺曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例1
根據(jù)如下步驟制備A1N薄膜
1) 將反應(yīng)室溫度升高到1060'C,將藍(lán)寶石(0001)襯底在氫氣氛下烘烤15min;
2) 升溫至120(TC， TMIn的流量設(shè)定為180sccm，壓力50torr， V/III為400，以每小 時(shí)400nm的生長速度在藍(lán)寶石襯底上生長600 nm A1N薄膜。
采用這一特殊方法在含TMIn氣氛下生長所得A1N樣品和沒有在TMIn氣氛下直接在 藍(lán)寶石襯底上生長的A1N薄膜的XRD(002)面26-W掃描結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出， XRD峰位沒有明顯變化，表明TMIn在AlN的生長過程中只起活性劑的作用，而沒有參與 形成組分。含TMIn氣氛生長的A1N和沒有在含TMIn氣氛下生長的A1N的AFM形貌比 較見圖2a和圖2b。由圖中可以看出，實(shí)施例所生長的A1N薄膜(圖2a)的表面粗糙度 (rms=2.316nm)要明顯低于在藍(lán)寶石上直接生長的A1N樣品(圖2b) (rms=32.01nm)。
實(shí)施例2
根據(jù)如下步驟制備A1N薄膜
1) 將反應(yīng)室溫度升高到106(TC，將藍(lán)寶石(001)襯底在氫氣氛下烘烤15min;
2) 升溫至120(TC，采用脈沖原子層外延方法在藍(lán)寶石襯底上以每小時(shí)200nm的生長 速度生長IOO周期的A1N緩沖層，厚度為100nm，生長條件為壓力150 torr, V/III為600, 每個(gè)周期依次通入5sTMAl、 3s氫氣、5sNH3、 3s氫氣；
3) 保持溫度不變，在步驟2)的基礎(chǔ)上，TMIn的流量設(shè)定為180sccm，采用TMA1、TMIn和NH3同時(shí)通入反應(yīng)室的方法，以每小時(shí)400nrn的生長速度生長A1N薄膜，厚度 為600nm，具體生長條件為壓力50 torr, V/III為400。
采用這一特殊方法所得AlN樣品和普通生長的AlN樣品的AFM表明形貌比較見圖3a 和圖3b。由圖中可以看出，本實(shí)施例所生長的A1N薄膜(圖3a)的表面粗糙度(rm^l.67nm) 要明顯低于沒有在含TMIn氣氛下生長的A1N樣品(圖3 b) (rms=36.58nm)。
實(shí)施例3
根據(jù)如下步驟制備AlGaN薄膜
1) 將反應(yīng)室溫度升高到1060°C，將藍(lán)寶石(0001)襯底在氫氣氛下烘烤15min;
2) 將反應(yīng)室溫度升高到1200°C，以每小時(shí)1.4 pm的生長速度在藍(lán)寶石襯底上直接生 長320 nm A1N薄膜，，生長條件為壓力50 torr， V/III為400;
3) 在步驟2)的基礎(chǔ)上，保持溫度不變，生長10周期AlN/AlxGai.xN超晶格，其中， 超晶格中阱和壘的厚度都為5nm， Al組分x控制在0.8，在此生長過程中，壓力為75torr，
v/m為600;
4) 保持生長溫度不變，在步驟3)的基礎(chǔ)上，TMIn的流量設(shè)定為240sccm，采用TMA1、 TMGa、 TMIn和NH3同時(shí)通入反應(yīng)室的方法，以每小時(shí)1 pm的生長速度生長Alo.6Gao.4N 薄膜，厚度為lnm，生長條件為壓力75torr， V/III為1000。
采用這一特殊方法所得AlGaN樣品和普通生長的AlGaN樣品相比，晶體質(zhì)量大大提 高。通過比較XRD(002)面搖擺曲線的半峰寬來表征晶體質(zhì)量的變化，如圖4所示，可以 看出，本實(shí)施例所生長的Alo.6Gao.4N薄膜的XRD (002)面搖擺曲線的半峰寬要比沒有在含 TMIn氣氛下得到的Ala6Gaa4N薄膜小，這意味著采用本發(fā)明方法生長的AlxGai.xN晶體質(zhì) 量要好得多。
實(shí)施例4
根據(jù)如下步驟制備AlGaN薄膜
1) 將反應(yīng)室溫度升高到1060°C,將藍(lán)寶石(0001)襯底在氫氣氛下烘烤15min，
2) 將反應(yīng)室溫度升高到1200°C，采用脈沖原子層外延方法在藍(lán)寶石襯底上以每小時(shí) 200nm的生長速度生長100周期的A1N緩沖層，厚度為100nm，生長條件為壓力150torr, V/III為600,每個(gè)周期依次通入5sTMAl、 3s氫氣、5sNH3、 3s氫氣;
3) 保持溫度不變，以每小時(shí)1.4 pm的生長速度在藍(lán)寶石襯底上直接生長320 nm A1N薄膜，生長條件為壓力50torr, V/III為400;
4) 在步驟3)的基礎(chǔ)上，保持溫度不變，生長10周期AlN/AlxGa,-xN超晶格，其中，超 晶格中阱和壘的厚度都為5nm， Al組分x控制在0.8，在此生長過程中，壓力為75 torr，
v/m為600;
5) 保持生長溫度不變，在步驟4)的基礎(chǔ)上，TMIn的流量設(shè)定為240sccm，采用TMA1、 TMGa、 TMIn和NH3同時(shí)通入反應(yīng)室的方法，以每小時(shí)1 nm的生長速度生長Ala6Gao.4N 薄膜，厚度為lpm，生長條件為壓力75torr， V/III為1000。
采用這一特殊方法所得AlGaN樣品和普通生長的AlGaN樣品相比，晶體質(zhì)量大大提 高。通過比較XRD(102)面搖擺曲線半峰寬來表征晶體質(zhì)量的變化，如圖5a和圖5b所示， 可以看出，本實(shí)施例所生長的Alo.6Gao.4N薄膜(圖5a)的XRD (102)面搖擺曲線的半峰寬 為968arcsec，要比沒有在含TMIn氣氛下生長的Ala6Gao.4N薄膜(圖5b)的半峰寬1200 arcsec要小，這意味著采用本發(fā)明的AlxGai.xN晶體質(zhì)量要好的多。
權(quán)利要求
1.一種生長AlN或AlGaN薄膜的方法，于1050-1200℃用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法生長AlN或AlGaN薄膜時(shí)通入三甲基銦作為活性劑。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行外延生長，采用氫氣作 為載氣，三甲基鎵、三甲基鋁和NH3分別作為Ga源、A1源和N源。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于三甲基銦和其他原料一起同時(shí)通入反應(yīng)室。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于三甲基銦的流量為40-400sccm。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于三甲基銦的流量為150-300sccm。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在AlN或AlGaN薄膜的生長過程中，控制壓 力為20-200torr， V/III為40-2000。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于生長過程中控制壓力為50-100torr， V/III為 50-1000。
8. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在外延生長AlN或AlGaN薄膜前，以氫氣為 載氣，在溫度1050°C-1200。C，壓力100-200 torr, V/III400-800的條件下，采用交替通 入三甲基鋁和NH3的脈沖方式在藍(lán)寶石襯底上先生長50-150個(gè)周期的A1N層作為緩沖 層，具體每個(gè)周期依次通入3-10s三甲基鋁，3-10s載氣，3-10sNH3和3-10s載氣。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于A1N緩沖層的生長溫度為110(TC-120(TC，壓 力為150-200 torr， V/III為400-600。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生長AlN或AlGaN薄膜的方法，是在采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法常規(guī)生長AlN或AlGaN時(shí)通入適量的TMIn作為活性劑來改善AlN及AlGaN薄膜的晶體質(zhì)量以及表面平整度。通常采用氫氣作為載氣，TMGa、TMAl和NH₃分別作為Ga源、Al源和N源，TMIn和其他原料一起同時(shí)通入反應(yīng)室，在1050-1200℃進(jìn)行生長，其中TMIn的流量一般為40-400sccm。通過原子力顯微方法表征樣品的表面粗糙度和采用X射線衍射三晶搖擺曲線半峰寬來表征樣品的晶體質(zhì)量，可以看出，采用本發(fā)明方法所得的AlN和AlGaN樣品和現(xiàn)有技術(shù)生長的樣品相比，表面粗糙度明顯下降，且晶體質(zhì)量提高。
文檔編號C23C16/18GK101603172SQ200810114598
公開日2009年12月16日 申請日期2008年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月10日
發(fā)明者于彤軍, 張國義, 浩 方, 楊志堅(jiān), 桑立雯, 秦志新 申請人:北京大學(xué)