專利名稱：一種在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在藍(lán)寶石異質(zhì)襯底材料上采用金屬有機源化學(xué)氣相沉積外延生長AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜的方法。
背景技術(shù)：
第三代半導(dǎo)體材料III族氮化物包括InN，GaN，AlN及它們的合金InGaN，AlGaN和AlInGaN材料有著優(yōu)良獨特的光電特性，從而受到了廣泛的重視。III族氮化物材料是直接帶隙寬能帶半導(dǎo)體材料，它們的直接帶隙從0.79eV到6.2eV連續(xù)可調(diào)，對應(yīng)電磁波的紅外光到深紫外波段，主要應(yīng)用是藍(lán)、綠光到深紫外發(fā)光器件，探測器件和高溫大功率電子器件。AlxGa1-xN(0≤x≤1)材料體系的帶隙從GaN的3.4eV到AlN的6.2eV，對應(yīng)的光學(xué)窗口覆蓋了200nm-365nm。由于短波長AlxGa1-xN(0≤x≤1)基紫外光發(fā)光管不僅可作為新一代高效半導(dǎo)體固態(tài)光源，而且在分析化學(xué)和生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物制劑探測系統(tǒng)、殺菌與消毒、醫(yī)療環(huán)保、非視距隱蔽戰(zhàn)術(shù)通訊等民、軍用領(lǐng)域有重要的技術(shù)應(yīng)用價值，目前AlGaN，AlN，AlInGaN等含Al的III族氮化物材料生長的研究正日漸受到重視。
金屬有機物化學(xué)氣相淀積技術(shù)(MOCVDMetal organic chemical vapor deposition)是生長III族氮化物薄膜的主要方法。III族氮化物薄膜通常是用外延的方法生長在非GaN襯底上，由于和常用的襯底材料如藍(lán)寶石材料的晶格失配度大，通常采用低溫單緩沖層兩步生長法，工藝如下首先在較低的溫度下(400-650℃)生長一層厚度為15-50nm的GaN或AlN層作為緩沖層，再將溫度提高到較高值(900-1200℃)下生長III族氮化物外延層。詳細(xì)方法參見Appl.Phys.Lett.48，353(1986)、Jpn.J.Appl.Phys.27，1156(1988)、J.Cryst.Growth 115，628(1991)、Jpn.J.Appl.Phys.30，L1705(1991)。
現(xiàn)有的低溫單緩沖層兩步法生長AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜存在以下問題1、以通常的低溫單緩沖層兩步法生長的AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜，由于薄膜中應(yīng)力較大，在超過一定的臨界厚度后容易在薄膜表面產(chǎn)生裂紋；2、以通常的低溫單緩沖層兩步法生長的AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜，由于與藍(lán)寶石襯底存在較大的晶格失配和熱失配，薄膜的缺陷仍然很高，位錯密度高達(dá)109cm-2以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，該方法能有效降低AlxGa1-xN單晶薄膜的應(yīng)力與缺陷密度，提高薄膜的晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和表面平整度，提高材料的光電性能。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，0≤x≤1，在襯底材料與AlxGa1-xN單晶薄膜之間有著緩沖層，其特征在于所述的緩沖層為兩層，首先在襯底材料上生長一層厚度為2nm至8nm之間的低溫AlN成核層，然后在低溫AlN成核層上生長一層20nm至500nm之間的高溫AlN層，最后在高溫AlN層上生長AlxGa1-xN單晶薄膜；所述的低溫是指生長溫度在500℃-750℃，高溫是生長溫度在1000℃-1200℃。
如上所述的在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，其特征在于以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al和N源，用硅烷(SiH4)、二茂鎂(Cp2Mg)作為n、p型摻雜劑，生長過程包括如下步驟①、首先將襯底材料藍(lán)寶石Sapphire在溫度大于1100℃，氫氣氛里進(jìn)行退火，然后進(jìn)行氮化處理；②、將溫度下降到500℃與750℃之間，生長2nm至8nm厚的低溫AlN成核層，此生長過程時，生長壓力在30Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在500-30000之間；③、將襯底溫度升高1000℃-1200℃之間，對低溫AlN成核層在原位進(jìn)行退火處理，退火時間在10秒至10分鐘之間；④、退火之后，將溫度調(diào)節(jié)到1000℃-1200℃之間，在較低的V/III摩爾比條件下外延生長厚度為20nm至500nm之間的高溫AlN層，此生長過程時，生長壓力在30Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在300-3000之間；⑤、將溫度調(diào)節(jié)到1000℃-1200℃，生長AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜，此生長過程時，生長壓力在30Torr至760Torr之間。
如上所述的在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，其特征在于上述步驟④中，V/III摩爾比介于300-1000。V/III摩爾比介于300-1000為最優(yōu)值區(qū)間，通過X射線雙晶衍射測試發(fā)現(xiàn)，在此區(qū)間所生長的AlN薄膜有著最優(yōu)的晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。
如上所述的在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，其特征在于所述的藍(lán)寶石襯底的生長面為0001面、11-20面或1-102面。其中0001面、11-20面或1-102面是藍(lán)寶石有關(guān)各面的常規(guī)表示。
本發(fā)明的基于低、高復(fù)合緩沖層的AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜與已有的低溫單緩沖層兩步法生長的AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜的區(qū)別與優(yōu)點在于本發(fā)明方法采用了一層比通常二步法單緩沖層薄的厚度為2nm至3nm之間的低溫AlN成核層，并在較低的V/III摩爾比條件下生長20nm至500nm厚的高溫AlN層。在較低的V/III摩爾比下生長有助于減低氣相預(yù)反應(yīng)，并有效增強反應(yīng)原子的表面遷移，從而提高AlN層的晶體質(zhì)量。然后，以此低、高溫AlN層作為復(fù)合緩沖層，生長AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜。AlN薄膜有著比AlGaN薄膜小的晶格常數(shù)。此低、高溫復(fù)合緩沖層可以有效降低AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜的應(yīng)力與缺陷密度，提高薄膜的晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和表面平整度，提高材料的光電性能。
以通常的低溫單緩沖層二步法生長的AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜，由于應(yīng)力大，當(dāng)薄膜厚度超過一定的臨界厚度后，容易在薄膜表面產(chǎn)生裂紋，如以Al組分X＝0.2為例，以通常的單緩沖層二步法所生長的Al0.2Ga0.8N單晶薄膜，一般Al0.2Ga0.8N薄膜的厚度超過1μm就會出現(xiàn)表面裂紋，但以此低、高溫復(fù)合層作為緩沖層來生長的Al0.2Ga0.8N薄膜，薄膜厚度達(dá)到3μm也未出現(xiàn)任何表面裂紋。通過熱磷酸腐蝕與原子力顯微鏡結(jié)合測量材料的缺陷密度，發(fā)現(xiàn)以本發(fā)明的低、高溫復(fù)合層作為緩沖層來生長出的AlxGa1-xN(0≤x≤1)薄膜，其位錯密度低于109cm-2，而以通常的單緩沖層二步法所生長的Al0.2Ga0.8N單晶薄膜的位錯密度則高達(dá)109cm-2以上。而且以復(fù)合緩沖層生長的Al0.2Ga0.8N單晶薄膜的表面均方根(RMS)粗糙度(以原子力顯微鏡測試)小于0.8nm，明顯小于以通常的二步生長法所生長的Al0.2Ga0.8N單晶薄膜的表面RMS粗糙度(一般大于1nm)。我們知道，無表面裂紋有較高的厚度、較低的缺陷密度和較低的表面粗糙度的氮化物薄膜對于制備高性能的光電器件是很有益處的。


圖1是本發(fā)明實施例在藍(lán)寶石襯底上生長低溫AlN成核層后的剖面圖；圖2是本發(fā)明實施例在藍(lán)寶石襯底上生長低溫AlN成核層后，又經(jīng)高溫退火后的剖面圖；圖3是在如圖2所示的基礎(chǔ)上，在高溫與低的V/III條件下生長AlN層后的剖面圖；圖4是在如圖3所示的基礎(chǔ)上，生長AlxGa1-xN(0≤x≤1)薄膜后的剖面圖。
圖中，藍(lán)寶石襯底10，低溫AlN成核層11，高溫退火后的低溫AlN成核層12，高溫和低的V/III條件下生長的AlN層13，高溫條件下生長的AlxGa1-xN層14。
具體的實施方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明實施例1本發(fā)明的生長在藍(lán)寶石襯底材料上的Al0.2Ga0.8N薄膜(即x＝0.2)具有復(fù)合緩沖層，所述的緩沖層為兩層，一層是厚度為5nm的低溫AlN成核層，低溫AlN成核層上是150nm的高溫AlN層，高溫AlN層上是薄膜厚度可以達(dá)到3μm表面沒有裂紋的Al0.2Ga0.8N薄膜。
實施例2本發(fā)明的生長在藍(lán)寶石襯底材料上的GaN薄膜(即x＝0)具有復(fù)合緩沖層，所述的緩沖層為兩層，一層是厚度為5nm的低溫AlN成核層，低溫AlN成核層上是100nm的高溫AlN層，高溫AlN層上是薄膜厚度可以達(dá)到5μm表面沒有裂紋的GaN薄膜。
實施例3本發(fā)明的生長在藍(lán)寶石襯底材料上的AlN薄膜(即x＝1)具有復(fù)合緩沖層，所述的緩沖層為兩層，一層是厚度為5nm的低溫AlN成核層，低溫AlN成核層上是300nm的高溫AlN層，高溫AlN層上是薄膜厚度可以達(dá)到1μm表面沒有裂紋的AlN薄膜。
實施例4本發(fā)明的生長在藍(lán)寶石襯底材料上的Al0.2Ga0.8N薄膜(即x＝0.2)，在溫度為500℃，生長壓力為100Torr，V/III摩爾比為10000，生長一層厚度為5nm的低溫AlN成核層；將溫度升高到1180℃，生長壓力為100Torr，V/III摩爾比為800，生長一層厚度為150nm的高溫AlN層，然后將溫度調(diào)節(jié)為1075℃，生長壓力為100Torr，在高溫AlN層上生長薄膜厚度可以達(dá)到3μm表面沒有裂紋的Al0.2Ga0.8N薄膜。
實施例5本發(fā)明的生長在藍(lán)寶石襯底材料上的AlN薄膜(即x＝1)，在溫度為500℃，生長壓力為100Torr，V/III摩爾比為10000，生長一層厚度為5nm的低溫AlN成核層；將溫度升高到1180℃，生長壓力為100Torr，V/III摩爾比為800，生長一層厚度為300nm的高溫AlN層，然后將溫度調(diào)節(jié)為1125℃，生長壓力為100Torr，在高溫AlN層上生長薄膜厚度可以達(dá)到1μm表面沒有裂紋的AlN薄膜。
實施例6本發(fā)明的生長在藍(lán)寶石襯底材料上的GaN薄膜(即x＝0)，在溫度為500℃，生長壓力為100Torr，V/III摩爾比為10000，生長一層厚度為5nm的低溫AlN成核層；將溫度升高到1180℃，生長壓力為100Torr，V/III摩爾比為800，生長一層厚度為100nm的高溫AlN層，然后將溫度調(diào)節(jié)為1025℃，生長壓力為100Torr，在高溫AlN層上生長薄膜厚度可以達(dá)到5μm表面沒有裂紋的GaN薄膜。
權(quán)利要求
1.一種在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，0≤x≤1，在藍(lán)寶石襯底材料與AlxGa1-xN單晶薄膜之間有著緩沖層，其特征在于所述的緩沖層為兩層，首先在襯底材料上生長一層厚度為2nm至8nm之間的低溫AlN成核層，然后在低溫AlN成核層上生長一層20nm至500nm之間的高溫AlN層，最后在高溫AlN層上生長AlxGa1-xN單晶薄膜；所述的低溫是指生長溫度在500℃-750℃，高溫是指生長溫度在1000℃-1200℃。
2.如權(quán)利要求1所述的在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，其特征在于以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al和N源，用硅烷(SiH4)、二茂鎂(Cp2Mg)作為n、p型摻雜劑，生長過程包括如下步驟①、首先將襯底材料藍(lán)寶石Sapphire在溫度大于1100℃，氫氣氛里進(jìn)行退火，然后進(jìn)行氮化處理；②、將溫度下降到500℃與750℃之間，生長2nm至8nm厚的低溫AlN成核層，此生長過程時，生長壓力在30Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在500-30000之間；③、將襯底溫度升高1000℃-1200℃之間，對低溫AlN成核層在原位進(jìn)行退火處理，退火時間在10秒至10分鐘之間；④、退火之后，將溫度調(diào)節(jié)到1000℃-1200℃之間，在較低的V/III摩爾比條件下外延生長厚度為20nm至500nm之間的高溫AlN層，此生長過程時，生長壓力在30Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在300-3000之間；⑤、將溫度調(diào)節(jié)到1000℃-1200℃，生長AlxGa1-xN(0≤x≤1)單晶薄膜，此生長過程時，生長壓力在30Torr至760Torr之間。
3.如權(quán)利要求2所述的在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，其特征在于上述步驟④中，V/III摩爾比介于300-1000之間。
4.如權(quán)利要求2或3或4所述的在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長AlxGa1-xN單晶薄膜的方法，其特征在于所述的藍(lán)寶石襯底材料的生長面為0001面、11-20面或1-102面。
全文摘要
一種在藍(lán)寶石襯底材料上外延生長Al
文檔編號H01L21/02GK1900386SQ20061001954
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日
發(fā)明者陳長清 申請人:武漢華燦光電有限公司