一種AlyInxGa1-x-yN薄膜的外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，尤其是涉及一種AlyInxGa1-x-yN薄膜的外延結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法。

背景技術(shù)：
AlyInxGa1-x-yN材料體系作為一種重要的半導(dǎo)體材料，被廣泛地應(yīng)用于制作綠、藍(lán)和紫外波段的發(fā)光器件和探測(cè)器，以及高功率、高溫度的射頻電子器件。由于缺乏晶格匹配的襯底，AlyInxGa1-x-yN材料通常是在異質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)獲得的。常用的異質(zhì)襯底主要為藍(lán)寶石、碳化硅和硅。這些異質(zhì)襯底材料與AlyInxGa1-x-yN材料之間存在晶格失配及熱膨脹系數(shù)差異，使在其上生長(zhǎng)的AlyInxGa1-x-yN薄膜承受巨大的雙軸應(yīng)力。這種雙軸應(yīng)力對(duì)AlyInxGa1-x-yN材料及器件將產(chǎn)生下列不利影響：(1)導(dǎo)致外延片彎曲、變形；(2)導(dǎo)致外延薄膜破碎或龜裂；(3)在AlyInxGa1-x-yN材料內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)缺陷，從而影響各種器件的光電性能及可靠性；(4)AlyInxGa1-x-yN材料體系存在極強(qiáng)的壓電極化效應(yīng)，因此應(yīng)力將引起壓電場(chǎng)，壓電場(chǎng)的存在會(huì)降低InGaN/GaN多量子阱的內(nèi)量子效率；(5)應(yīng)力影響InGaN層中In的摻入。因此，開(kāi)發(fā)出一種能弛豫應(yīng)力的材料結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)工藝是非常必要的。目前，為了釋放AlyInxGa1-x-yN外延薄膜所受的應(yīng)力，很多常見(jiàn)的外延技術(shù)方法被使用；如：側(cè)向外延法、Al組分漸變AlGaN緩沖層技術(shù)以及圖形襯底技術(shù)等。這些技術(shù)方法雖能在一定程度上緩解外延薄膜所受應(yīng)力，但是也存在某些不足之處。Al組分漸變AlGaN緩沖層技術(shù)需要耗費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)的時(shí)間來(lái)生長(zhǎng)AlGaN緩沖層，不利于產(chǎn)業(yè)化的成本控制。側(cè)向外延法和圖形襯底技術(shù)，需要在生長(zhǎng)前先對(duì)襯底進(jìn)行加工處理，工序較為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種AlyInxGa1-x-yN薄膜的外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)在襯底與外延材料之間的緩沖層中設(shè)計(jì)了大量的空腔，這種空腔有兩個(gè)作用：(1)增加了薄膜柔性，為應(yīng)力的弛豫提供了變形空間，可以釋放AlyInxGa1-x-yN薄膜所受到的來(lái)自襯底的應(yīng)力；(2)對(duì)于發(fā)光器件，空腔增強(qiáng)了界面反射，故可提高光的提取效率。本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種AlyInxGa1-x-yN薄膜的外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法。本發(fā)明的第一個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種AlyInxGa1-x-yN薄膜的外延結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括：襯底、AlN緩沖層、InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層、AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層和AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)主層，其特征在于：在所述AlyGa1-yN掩模層中、InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層和AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)主層之間，設(shè)有呈間隔排布、豎向的微孔，在每個(gè)微孔的下對(duì)應(yīng)位置的InxGa1-xN緩沖層中設(shè)有一個(gè)空腔，InxGa1-xN緩沖層為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。所述AlN緩沖層的厚度為50～200nm。所述InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層的厚度為100～800nm。所述AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層的厚度為10～50nm。所述AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)主層的厚度為1～6μm。所述AlyGa1-yN掩模層中的微孔的直徑<10nm。所述AlyGa1-yN掩模層中的微孔與InxGa1-xN緩沖層內(nèi)的空腔一一對(duì)應(yīng)。所述InxGa1-xN緩沖層內(nèi)的空腔的直徑和深度在50--800nm之間。所述微孔和空腔的分布密度在5×106cm-2--5×108cm-2之間。本發(fā)明的第一個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種AlyInxGa1-x-yN薄膜的外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟：A、將襯底裝入MOCVD反應(yīng)室；B、生長(zhǎng)AlN緩沖層；C、生長(zhǎng)InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層；D、生長(zhǎng)AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層；E、在通入反應(yīng)室的氨氣量占總氣量比小于<1％的條件下，以1攝氏度/s的速率快速升溫至1100℃以上的刻蝕溫度，并在刻蝕時(shí)間10s--600s內(nèi)刻蝕溫度保持穩(wěn)定；在此過(guò)程中，AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層中會(huì)先形成微孔，H2再?gòu)奈⒖足@入，刻蝕InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層，并在其中形成空腔；F、生長(zhǎng)AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)主層；G、降溫至150℃以下，將外延片從MOCVD反應(yīng)室中取出，得到最終的AlInGaN薄膜材料。在步驟C中，InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層的In組分值可影響空腔的長(zhǎng)大速率。在步驟C中，InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層的厚度決定了空腔的最大深度。在步驟D中，AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層的厚度、組分可影響微孔的形成速度及分布密度。在步驟E中，NH3濃度也是非常重要的參數(shù)，NH3對(duì)AlInGaN材料體系的分解有抑制作用，因此，此步如果在關(guān)閉氨氣的條件下進(jìn)行，將更有利于微孔的形成和空腔的長(zhǎng)大。在步驟E中，升溫速率及溫差決定了AlN掩模層所受應(yīng)力大小，影響微孔的形成。在步驟E中，刻蝕溫度影響空腔的長(zhǎng)大速率，可調(diào)節(jié)刻蝕時(shí)間控制空腔302的深度和大小。在上述步驟中，最重要的為步驟E：在H2的環(huán)境下(少氨或者無(wú)氨)，快速升溫至1100℃以上，此時(shí)AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層401受到來(lái)自InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層的張應(yīng)力；在張應(yīng)力作用下，AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層中某些質(zhì)量較差的位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)微裂紋，從而形成了微孔。微孔形成后，微孔的位置下面的InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層相應(yīng)地暴露在高溫H2的環(huán)境中，InxGa1-xN(0≤x≤1)材料開(kāi)始分解。相對(duì)AlyGa1-yN(0≤y≤1)材料來(lái)說(shuō)，InxGa1-xN(0≤x≤1)的分解溫度要低很多；因此，只要在合適的溫度下，H2將會(huì)有選擇性地只刻蝕InxGa1-xN(0≤x≤1)材料，而AlyGa1-yN(0≤y≤1)材料相當(dāng)于這種刻蝕過(guò)程的掩模，從而在InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層中形成了空腔。另外，由于AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層中微孔的孔徑為納米量級(jí)，因此在微孔上生長(zhǎng)AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)主層時(shí)，可以將微孔口迅速合攏，而不會(huì)將已形成的空腔填平。本發(fā)明是在襯底與外延材料之間的緩沖層中設(shè)計(jì)了大量的空腔，這種空腔有兩個(gè)作用：(1)增加了薄膜柔性，為應(yīng)力的弛豫提供了變形空間，可以釋放AlyInxGa1-x-yN薄膜所受到的來(lái)自襯底的應(yīng)力；(2)對(duì)于發(fā)光器件，空腔增強(qiáng)了界面反射，故可提高光的提取效率。本發(fā)明是在實(shí)現(xiàn)弛豫應(yīng)力的基礎(chǔ)上，克服了Al組分漸變AlGaN緩沖層技術(shù)需要耗費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)的時(shí)間來(lái)生長(zhǎng)AlGaN緩沖層、不利于產(chǎn)業(yè)化的成本控制，以及側(cè)向外延法和圖形襯底技術(shù)需要在生長(zhǎng)前先對(duì)襯底進(jìn)行加工處理、工序較為復(fù)雜的不足。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)外延結(jié)構(gòu)的示意圖。圖中，襯底101、AlN緩沖層201、InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層301、空腔302、AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層401、微孔402、AlyInxGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)主層501。圖2為InxGa1-xN(0≤x≤1)緩沖層301的蜂窩狀結(jié)構(gòu)俯視示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)，實(shí)際生長(zhǎng)的硅襯底上氮化物薄膜的TEM照片。圖4為暗場(chǎng)下的光學(xué)顯微鏡觀測(cè)照片，用來(lái)表征根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)生長(zhǎng)的硅襯底上氮化物薄膜中空腔302的密度分布，圖中的亮點(diǎn)即為空腔。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)例并對(duì)照附圖1對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)例采用自制型7*2CCSMOCVD系統(tǒng)進(jìn)行外延生長(zhǎng)。所用襯底為硅襯底，所用Ga、Al、N源分別為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)，載氣為H2。A、將干凈的(111)晶面硅襯底101裝入MOCVD反應(yīng)室，在H2氣氛下加熱至1200℃，烘烤25分鐘。B、降溫至950℃，往MOCVD反應(yīng)室內(nèi)通入TMAl，通入時(shí)間為25s，流量為21μmol/min。C、升溫至1190℃，升溫過(guò)程中通入氨氣，流量為0.026mol/min；溫度穩(wěn)定后，通入TMAl，流量為14μmol/min，生長(zhǎng)70nm左右厚的AlN緩沖層201。D、在溫度1145℃下生長(zhǎng)500nm左右厚的InxGa1-xN(x＝0)緩沖層301，氨氣流量為0.2mol/min，TMGa流量為101μmol/min。E、在溫度950℃，氨氣流量為0.026mol/min的條件下生長(zhǎng)20nm左右厚的AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層401；該層分兩步完成：第一步生長(zhǎng)了約15nm厚的Al組分逐漸增大的AlGaN層，TMGa流量由20.4μmol/min漸變至2μmol/min，同時(shí)TMAl流量由1.4μmol/min漸變至21.2μmol/min；第二步為5nm厚的AlN層，TMAl流量為21.2μmol/min。F、以1℃/s的升溫速率快速升溫至1200℃，氨氣流量為0.026mol/min，穩(wěn)定30s；G、在溫度1100℃下生長(zhǎng)3μm左右厚的AlyInxGa1-x-yN(x＝0，y＝0)主層501，氨氣流量為0.2mol/min，TMGa流量為156μmol/min。在步驟D中，InxGa1-xN緩沖層301的In含量為0，故所需刻蝕溫度較高。在步驟E中，AlyGa1-yN(0≤y≤1)掩模層401分兩層生長(zhǎng)：第一層為Al組分漸變層，可起到積累應(yīng)力的作用，并與隨后的AlyGa1-yN(y＝1)層一起，影響著微孔402的大小及密度分布。在步驟F中，升溫過(guò)程通入了NH3，NH3抑制了InxGa1-xN(x＝0)緩沖層301的分解，故所需刻蝕溫度較高。圖3為采用上述外延工藝生長(zhǎng)出的實(shí)驗(yàn)樣品的TEM照片，空腔302直徑約為200nm，深度約250nm。圖4為采用光學(xué)顯微鏡在暗場(chǎng)下觀測(cè)該樣品中空腔302密度分布的照片，其密度約為5e7cm-2。圖中所示的亮點(diǎn)即為空腔302。