CN100336942C - 生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：选择一衬底；在衬底上采用分子束外延法生长一层氮化层；降低衬底的温度，生长缓冲层；最后升高衬底的温度，生长高结晶质量的氮化铟层。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指高质量氮化铟单晶外延膜的外延生长方法。
背景技术
III-V族化合物半导体氮化铟(InN)由于其独特的物理、化学性能，受到了越来越广泛的关注和研究。在III-V族氮化物中，InN具有最小的有效质量，在理论上具有最高的载流子迁移率，所以它在高速器件方面有着很广阔的应用前景。同时在III-V族氮化物中，氮化铟还有着最小的直接带隙，使得它成为红外波长发光器件的合适材料。但目前InN的体单晶制备非常困难，到目前还没有关于体单晶制备的相关报道。同时由于InN具有很低的分解温度，和缺少与之相匹配的异质衬底材料，这使得InN单晶外延薄膜的制备也变得异常困难。目前人们对InN的研究还处于起始阶段，InN主要还是在大失配衬底蓝宝石(0001)，硅(111)或碳化硅(0001)等晶面上进行外延生长。在八十年代以前，尽管人们尝试了很多方法如采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，分子束外延(MBE)，离子溅射，但得到的大多还都只是多晶的InN外延膜。九十年代后，已经可以得到单晶的InN外延膜，但结晶质量还需要进一步提高。总的来说，目前InN的单晶质量离器件制作的要求还有一定距离，还需要得到进一步的提高和完善。
本发明以前的InN外延生长方法大多采用MBE或者MOCVD在衬底上直接外延生长InN，或者单独采用单层AlN，GaN作为缓冲层这样虽然在一定程度上能够解决InN外延膜和衬底的晶格匹配问题，但由于缓冲层的质量问题，外延InN层和缓冲层之间的热失配问题没有得到很好的解决，使得InN外延膜的晶体质量还不是很高，表面不够光滑。同时因为InN的分解温度比较低，在生长过程中对表面的N平衡气压要求比较高，所以在InN外延膜中都会含有少量的铟滴，存在生长条件的优化和控制问题。由于这些问题的存在，使得InN的外延膜单晶质量不是很高，达不到器件制作的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其方法是先通过将蓝宝石衬底暴露在氮气氛中生长一薄层氮化铝，然后再低温外延一层InN缓冲层，这样可以有效地提高缓冲层的质量；然后采用低温InN缓冲层，再在上面同质外延InN，这样可以最大限度地解决InN外延膜和蓝宝石衬底之间的晶格失配和热失配问题；同时优化生长条件，如温度、压力的控制，通过这些措施可以有效地提高InN外延膜的质量，并提高表面的平整度。
本发明一种生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择一衬底；
在衬底上采用分子束外延法生长一层氮化层；
降低衬底的温度，生长缓冲层；
最后升高衬底的温度，生长高结晶质量的氮化铟层。
其中所述衬底为蓝宝石衬底。
其中生长氮化层时，衬底温度为700-800℃，压力为1.0-5.0×10-5torr，生长厚度0.002-0.01μm。
其中低温缓冲层的生长温度为300-400℃，压力为1.0-3.0×10-5torr，生长厚度0.02-0.05μm。
其中氮化铟外延层的生长温度为450-550℃，压力为1.5-3.0×10-5torr，生长厚度0.1-1μm。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的高结晶质量氮化铟单晶外延膜生长结构示意图；
图2是本发明的高结晶质量氮化铟单晶外延膜的双晶X射线θ-2θ扫描测试结果；
图3是本发明的高结晶质量氮化铟单晶外延膜的双晶X射线摇摆曲线半峰宽测试结果；
图4是本发明的高结晶质量氮化铟单晶外延膜的表面粗糙度RMS测试结果。
具体实施方式
本发明关键在于解决InN异质生长过程中的晶体质量比较差的问题。由于InN外延生长过程中没有匹配的衬底，在加上InN本身的分解温度很底，生长条件很难控制，使得InN单晶的外延生长异常困难。本发明为了解决InN外延层与蓝宝石衬底匹配的问题，提出了采用低温InN作为缓冲层，同时又提出在生长低温InN缓冲层之前将蓝宝石衬底暴露在氮气氛中生长一层氮化铝以提高低温InN缓冲层的质量的解决方案，这样使得外延InN在相对质量较高的低温InN缓冲层上同质外延生长，同时优化MBE的生长条件达到提高外延InN膜晶体质量的目的。
请参阅图1所示，本发明一种生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择一衬底10，该衬底10为蓝宝石衬底材料；
在衬底10上采用分子束外延法生长一层氮化层20，该氮化层20的材料为氮化铝，其中生长氮化层20时，衬底温度为700-800℃，压力为1.0-5.0×10-5torr，生长厚度0.002-0.01μm。；
降低衬底10的温度，生长缓冲层30，该缓冲层30的材料为低温氮化铟，其中低温缓冲层30的生长温度为300-400℃，压力为1.0-3.0×10-5torr，生长厚度0.02-0.05μm；
最后升高衬底10的温度，生长高结晶质量的氮化铟层40，其中氮化铟外延层40的生长温度为450-550℃，压力为1.5-3.0×10-5torr，生长厚度0.1-1μm。
由以上步骤对样品进行测试分析，用此方法生长的氮化铟材料为单晶，晶体结晶质量高且表面平整。使用双晶X射线衍射方法证实该材料的(0002)面的θ-2θ衍射图谱中只有InN(0002)和蓝宝石(0006)峰存在，没发现单质铟的衍射峰(图2中)。双晶X射线衍射方法还证实该材料(0002)面的摇摆曲线半峰宽小于14arcmin.(图3中)。原子力显微镜(AFM)测试方法证实该材料表面粗糙度(RMS)小于4nm(图4中)。这说明本发明可以提高InN外延膜的表面平整度并在蓝宝石衬底上得到高结晶质量的InN单晶外延膜。
本发明利用改进的生长结构用高质量的低温InN缓冲层技术解决了外延膜与蓝宝石衬底之间的热失配和晶格失配问题，并优化了生长工艺，最终在蓝宝石衬底上得到高质量的单晶InN外延膜。
Claims (5)
1、一种生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择一衬底；
在衬底上采用分子束外延法生长一层氮化铝氮化层；
降低衬底的温度，生长低温氮化铟缓冲层；
最后升高衬底的温度，生长高结晶质量的氮化铟层。
2、根据权利要求1所述的生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，其中所述衬底为蓝宝石衬底。
3、根据权利要求1所述的生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，其中生长氮化层时，衬底温度为700-800℃，压力为1.0-5.0×10-5torr，生长厚度0.002-0.01μm。
4、根据权利要求1所述的生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，其中低温缓冲层的生长温度为300-400℃，压力为1.0-3.0×10-5torr，生长厚度0.02-0.05μm。
5、根据权利要求1所述的生长高结晶质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，其中氮化铟外延层的生长温度为450-550℃，压力为1.5-3.0×10-5torr，生长厚度0.1-1μm。
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