本發(fā)明涉及半導(dǎo)體外延工藝的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種利用二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式沉積的gan插入層提高ingan結(jié)晶質(zhì)量的外延方法。

背景技術(shù)：

ingan材料具有一系列優(yōu)異的性質(zhì)。通過改變in組分，ingan的禁帶寬度可以在0.7ev至3.42ev范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，覆蓋全部可見光光譜和部分紫外、紅外光譜；作為直接帶隙半導(dǎo)體，ingan具有高光吸收率和高光電轉(zhuǎn)換效率；此外，ingan還具有較高的飽和電子漂移速度。因此，ingan材料在制作高量子效率、高速響應(yīng)可見光探測(cè)器、太陽能電池等光電子器件方面具有極大潛力和應(yīng)用前景。

目前，發(fā)展ingan材料及其光電子器件所面臨的主要問題包括如下幾點(diǎn)。首先，ingan作為inn與gan的合金，由于inn和gan的結(jié)合能相差較大，適宜生長(zhǎng)溫度相差幾百度，為了生長(zhǎng)兩者的合金，需要折中降低生長(zhǎng)溫度，導(dǎo)致結(jié)晶質(zhì)量下降；其次，in容易出現(xiàn)表面偏析現(xiàn)象，in原子容易向表面遷移，導(dǎo)致合金組分不均等問題；第三，高組分ingan和作為生長(zhǎng)模板的gan層晶格常數(shù)差異大，臨界厚度小，容易出現(xiàn)應(yīng)力緩釋，使材料位錯(cuò)密度增大或趨向三維生長(zhǎng)。而為了實(shí)現(xiàn)以藍(lán)、綠光探測(cè)為主要要求的高效可見光探測(cè)，ingan基光電探測(cè)器中ingan吸收層的厚度需要大于150nm，且in組分需要達(dá)到16%以上。眾多文獻(xiàn)報(bào)道，這種膜厚與in組分的ingan外延層常出現(xiàn)表面粗糙度大、缺陷密度高和相分離（in組分分布不均）等現(xiàn)象，嚴(yán)重降低器件性能。

為了改善ingan外延層的結(jié)晶質(zhì)量，研究者們針對(duì)ingan外延生長(zhǎng)過程中的主要生長(zhǎng)參數(shù)生長(zhǎng)速率、氣壓、五三族源摩爾流量比（五三比）等都進(jìn)行了優(yōu)化。有研究提出采用較高生長(zhǎng)速率，可有效抑制ingan的相分離（請(qǐng)參閱文獻(xiàn)b.n.pantha,j.li,j.y.lin,andh.x.jiang,“evolutionofphaseseparationinin-richinganalloys”,appliedphysicsletters,2010,vol.96,232105）。近期，pantzas等人提出在采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（mocvd）外延生長(zhǎng)的ingan材料中，周期性地插入gan薄層來改善材料的結(jié)晶質(zhì)量（有關(guān)報(bào)道請(qǐng)參閱文獻(xiàn)pantzasketal.“semibulkingan:anovelapproachforthick,singlephase,epitaxialinganlayersgrownbymovpe”,journalofcrystalgrowth,2013,vol.370,57）和pantzasketal.“roleofcompositionalfluctuationsandtheirsuppressiononthestrainandluminescenceofinganalloys”,journalofappliedphysics,2015,vol.117,055705.）。這種方法基于以下事實(shí)，即生長(zhǎng)于gan模板層上的ingan外延層，前幾十納米的ingan層應(yīng)力積累較小，應(yīng)力未完全緩釋，還處于壓應(yīng)變狀態(tài)，晶體質(zhì)量較好，in組分較為均一。pantzas等人假設(shè)ingan材料的問題都與in的偏析有關(guān)，所以提出，每生長(zhǎng)幾十納米的ingan材料，插入幾納米的氮化鎵薄層，來緩和由于in偏析而積累到表面的過量in原子，同時(shí)重置生長(zhǎng)條件，使后續(xù)生長(zhǎng)的ingan回到初始在gan上生長(zhǎng)的狀態(tài)，抑制應(yīng)力釋放。這種方法可以在一定程度上改善ingan外延層的in組分均一性和結(jié)晶質(zhì)量，但當(dāng)外延層厚度達(dá)到100nm以上或組分較高時(shí)，晶體質(zhì)量依然會(huì)劣化，并出現(xiàn)組分波動(dòng)。另一方面，這種方法有一個(gè)尚未解決的問題，即gan插入層的晶體質(zhì)量問題。理想的gan生長(zhǎng)溫度在1000度以上，但生長(zhǎng)gan插入層時(shí)，為了防止ingan分解，便選擇在700~800度間生長(zhǎng)gan插入層，該溫度下，常規(guī)生長(zhǎng)的ga原子遷移能力不足，容易使晶體呈現(xiàn)三維生長(zhǎng)，使得晶體質(zhì)量劣化，因此gan插入層的晶體質(zhì)量得不到保證，對(duì)ingan結(jié)晶質(zhì)量的改善效果便打了折扣；在較低生長(zhǎng)溫度下（750度以下）甚至有可能因ingan和gan的生長(zhǎng)界面過于粗糙而導(dǎo)致ingan層結(jié)晶質(zhì)量劣化。因此有必要尋求一種在不升高生長(zhǎng)溫度的前提下，可以提高gan插入層晶體質(zhì)量的方法，來克服上述方法的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷，提供一種ingan的外延制備方法，可以提高gan插入層晶體質(zhì)量。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：對(duì)于所生長(zhǎng)的gan插入層，采用二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式進(jìn)行沉積，即通過在生長(zhǎng)時(shí)序上對(duì)ga源和n源的調(diào)控，提供周期性降低五三比的生長(zhǎng)條件，來提高ga原子的表面遷移能力，抑制三維層島生長(zhǎng)模式，增強(qiáng)gan插入層的二維側(cè)向生長(zhǎng)，使ga原子均勻分布，減少表面粗糙度和缺陷，從而改善gan/ingan層的界面特性，提高ingan外延層整體的晶體質(zhì)量和組分均一性。一種ingan的外延制備方法，具體包含以下步驟：

s1.提供一種襯底；

s2.在襯底（1）上生長(zhǎng)應(yīng)力緩沖層（2）；

s3.在應(yīng)力緩沖層上生長(zhǎng)gan模板層（3）；

s4.在gan模板層上生長(zhǎng)ingan層（4）；

s5.在ingan層上生長(zhǎng)增強(qiáng)二維生長(zhǎng)模式的gan插入層（5）；

s6.重復(fù)s4和s5一定次數(shù)，直到ingan層的累計(jì)厚度滿足。

具體的，所述的步驟s5中，二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式的gan插入層，在生長(zhǎng)時(shí)序上對(duì)ga源和n源進(jìn)行調(diào)控?？梢酝ㄟ^周期性地中斷n源，使得五三比和生長(zhǎng)速率周期性地變?yōu)闃O小，使生長(zhǎng)界面上的ga原子有更多遷移時(shí)間，促進(jìn)其均勻分布，增強(qiáng)二維生長(zhǎng)模式；也可以通過周期性提高ga源的摩爾流量，同時(shí)降低n源的摩爾流量，來實(shí)現(xiàn)五三比的周期性地降低，由此在生長(zhǎng)過程中提供更多可供遷移的ga原子，從而實(shí)現(xiàn)促進(jìn)二維生長(zhǎng)的目的。上述方法可使ga與n在結(jié)晶過程中分布更加均勻，減少gan插入層的表面粗糙度和層中缺陷（如位錯(cuò)等），改善gan插入層與ingan外延層的界面特性，提高ingan外延層整體的晶體質(zhì)量與組分均一性。

所述gan插入層的二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式，采用周期性中斷n源時(shí)，中斷時(shí)長(zhǎng)為1~25s，且中斷過程中五三比為0，ga源與n源同時(shí)通入過程中五三比范圍為8000~13000；gan插入層的二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式，采用周期性提高ga源的供給量，同時(shí)降低n源的供給量時(shí)，該過程的時(shí)長(zhǎng)為1~25s，且過程中五三比調(diào)節(jié)范圍為10~1000，其余階段中五三比調(diào)節(jié)范圍為8000~13000。

所述的襯底為si襯底、藍(lán)寶石襯底、sic襯底或gan基材料的自支撐襯底中的任一種。

所述的n源為氨氣；所述的ga源為三甲基鎵（tmga）或三乙基鎵（tega）等金屬有機(jī)源。所述的in源為三甲基銦或三乙基銦等金屬有機(jī)源。

所述的應(yīng)力緩沖層為aln、algan、gan的任一種或組合，應(yīng)力緩沖層厚度為10nm～1μm。

所述的gan模板層為非故意摻雜的gan外延層或摻雜的高阻gan外延層，所述摻雜模板層的摻雜元素為碳、鐵或鎂，gan模板層厚度為2μm～7μm。

所述的ingan層為非故意摻雜的ingan外延層或摻雜的ingan外延層，所述摻雜的元素為碳，硅，鎂；ingan層厚度為30nm～100nm。

所述的gan插入層為非故意摻雜的gan外延層或摻雜的gan外延層，所述摻雜模板層的摻雜元素為碳、鐵或鎂，gan插入層厚度為1nm~10nm。

所述的步驟s2中的應(yīng)力緩沖層、步驟s3中的gan模板層、步驟s4中的ingan層、步驟s5中的gan插入層的生長(zhǎng)方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法等外延制備方法。

在步驟s1中的襯底可以是單一成分的襯底或具有不同成分的多層外延層；

在步驟s6中，重復(fù)次數(shù)為1~30次，最后一層材料可以是ingan層或者gan插入層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是：

（1）采用本發(fā)明的二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式沉積gan插入層，能改善ga原子的表面遷移，使gan插入層的成核點(diǎn)均勻分布，改善側(cè)向成膜，阻擋外延層中位錯(cuò)的向上攀升；

（2）gan插入層側(cè)向生長(zhǎng)的得到增強(qiáng)，可改善插入層表面粗糙度，即gan/ingan外延層的界面特性，并使得生長(zhǎng)于gan插入層上的ingan層處于相對(duì)較強(qiáng)的壓應(yīng)力狀態(tài)下，從而提高結(jié)晶質(zhì)量，獲得更平整的材料表面和更均一的in組分分布。

該結(jié)構(gòu)可以用于制備光電探測(cè)器和太陽能電池等器件，提高器件的光譜響應(yīng)特性（量子效率、光譜響應(yīng)拒絕比等）。

附圖說明

圖1－6是本發(fā)明制備方法示意圖。

圖7是實(shí)施例1的ga源和n源的生長(zhǎng)時(shí)序調(diào)控示意圖。

圖8是實(shí)施例2的ga源和n源的生長(zhǎng)時(shí)序調(diào)控示意圖。

具體實(shí)施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本專利的限制；為了更好說明本實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關(guān)系僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本專利的限制。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用周期性中斷n源，保持ga源流量不變的時(shí)序調(diào)控方法來實(shí)現(xiàn)二維增強(qiáng)生長(zhǎng)模式，如圖6所示為本實(shí)施例的外延結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)由下往上依次包括襯底1，應(yīng)力緩沖層2，gan模板層3，in0.16ga0.84n層4，gan插入層5。上述選擇區(qū)域外延結(jié)構(gòu)的制作方法如圖1-圖6所示，包括以下步驟：

1)提供一種晶面單晶藍(lán)寶石襯底1；如圖1所示。

2)在藍(lán)寶石襯底1上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（mocvd法）低溫生長(zhǎng)25nm的gan成核層2；如圖2所示。

3)在低溫gan成核層2上高溫生長(zhǎng)3μmgan模板層3；如圖3所示。

4)在高溫生長(zhǎng)的gan模板層3上降低溫度，生長(zhǎng)50nm厚的in0.16ga0.84n層4；如圖4所示。

5)在in0.2ga0.8n層4上保持生長(zhǎng)溫度不變，采用二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式沉積非故意摻雜gan插入層5；

其中對(duì)ga源和n源的生長(zhǎng)時(shí)序調(diào)控如圖7所示,保持三族金屬源流量不變，每生長(zhǎng)~0.5nm的gan插入層（時(shí)間為t），生長(zhǎng)過程中五三比為5000；中斷氮源供給時(shí)間t，t~4s，生長(zhǎng)周期數(shù)為6，其后gan插入層5的厚度約為3nm，如圖5所示。

6）重復(fù)步驟4）和步驟5）20次，所生長(zhǎng)的in0.16ga0.84n層和gan插入層統(tǒng)一標(biāo)注為4和5，最后再執(zhí)行一次步驟4），生長(zhǎng)一層in0.16ga0.84n層覆蓋；如圖6所示。

至此，完成了整個(gè)二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式gan插入層in0.16ga0.84n材料的制備過程。圖6即為實(shí)施例1的材料結(jié)構(gòu)示意圖。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用周期性減小n源流量，同時(shí)增大ga源流量的時(shí)序調(diào)控方法來實(shí)現(xiàn)二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式。

如圖6所示為本實(shí)施例的外延結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)由下往上依次包括gan襯底1，高溫gan緩沖層2，高溫si摻雜gan模板層3，in0.2ga0.8n層4，非故意摻雜gan插入層5。上述選擇區(qū)域外延結(jié)構(gòu)的制作方法如圖1－圖6所示，包括以下步驟：

1）提供一種晶面單晶gan襯底1；如圖1所示。

2）在襯底1上高溫生長(zhǎng)厚度為1μm的gan緩沖層2；如圖2所示。

3）在gan緩沖層2上高溫生長(zhǎng)2μm的si摻雜gan模板層3；如圖3所示。

4）在高溫生長(zhǎng)的si摻雜gan模板層3上，降低生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)35nm厚的in0.2ga0.8n層4；如圖4所示。

5）在in0.2ga0.8n層4上，保持生長(zhǎng)溫度不變，采用二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式沉積非故意摻雜gan插入層5；其中對(duì)ga源和n源的生長(zhǎng)時(shí)序調(diào)控如圖8所示，每生長(zhǎng)0.5nm的gan層（時(shí)間為t，五三比為8000），增大n源（氨氣nh3）流量，同時(shí)減小ga源流量（五三比為300），持續(xù)時(shí)間t，t~5s，周期數(shù)為6，如圖5所示。

6）重復(fù)步驟4）和步驟5）20次，所生長(zhǎng)的in0.2ga0.8n層和gan插入層統(tǒng)一標(biāo)注為4和5，最后再執(zhí)行一次步驟4），生長(zhǎng)一層35nm厚的in0.2ga0.8n層覆蓋；如圖6所示。

至此，完成了整個(gè)二維生長(zhǎng)增強(qiáng)模式gan插入層in0.2ga0.8n材料的制備過程。圖6即為實(shí)施例2的材料結(jié)構(gòu)示意圖。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。