CN100395379C - 一种生长高结晶氮化铟单晶外延膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生长高结晶氮化铟单晶外延膜的方法，在蓝宝石衬底上利用MOCVD系统先生长GaN缓冲层，在500-700℃温度范围生长厚度在20-100nm的低温GaN缓冲层；然后利用MOCVD生长高结晶的InN材料。GaN缓冲层生长后对此缓冲层进行900-1100℃的高温退火；再利用MOCVD生长高结晶的InN材料。本发明实现了在蓝宝石衬底上利用低温GaN做缓冲层在MOCVD系统中生长一种新型材料InN的方法。尤其是设计先生长缓冲层，然后生长高质量高结晶的InN材料。面积尺寸可以达到工业生产使用的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及InN的MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术生长方法，尤其是在蓝宝石衬底上利用低温GaN做缓冲层在MOCVD系统中生长一种高结晶InN的新型材料方法。
背景技术
III族氮化物半导体材料GaN，AlN和InN是性能优越的新型半导体材料。在光电子器件方面已有重要的应用，在光电集成，超高速微电子器件和超高频微波器件及电路上也有着十分广阔的应用前景。由于材料生长的困难，III族氮化物材料在相当长的时间内未能得到足够的重视，直到1991年前后，因GaN系列的高亮度LED研制成功，才使沉寂多年的III族氮化物半导体材料生长和器件应用研究又掀起了新的热潮。经过这么多年的研究和发展，GaN和AlN的生长技术研究，特性研究以及器件应用研究都已取得长足的发展。但是因为InN具有低的离解温度(≥600℃分解)要求低温生长，而作为氮源的NH3的分解温度较高，要求1000℃左右，这是InN生长的一对矛盾。其次，对于InN材料生长又缺少与之匹配的衬底材料。这就使得高质量InN材料生长特别困难。因此InN材料的研究几乎没有取得什么进展。我们对InN材料的性质知之甚少。
最近几年，由于科学技术的进步和发展，InN材料生长技术也越来越成熟。生长的InN材料中杂质也越来越少。特别是2002年对InN材料本征能隙认识的新的突破，对于纯度更纯的InN材料，其能隙是0.6ev-0.7ev而不是人们一直认为的是1.9ev。这使得InN材料在微电子和光电子领域中的应用将有更好的表现。同时在国际上也因此掀起了一股InN材料的研究热潮。
理论研究表明，InN材料在III族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂移速度和电子渡越速度，以及具有最小的有效电子质量。同时其电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理想的高速，高频晶体管材料。由于InN材料是直接带隙材料，其带隙值的最新研究结果表明为0.6ev-0.7ev，这使得In1-xGaxN三元合金材料的能隙范围能够随合金中In组分x的变化从InN能隙的0.7ev到GaN能隙的3.4ev自由调节。它提供了对应于太阳能光谱几乎完美的对应匹配能隙。这为设计新型高效太阳能电池提供了极大的可能。理论上，基于InN材料的太阳能电池的光电转换效率有可能接近太阳能电池的理论极限光电转换效率72％。因为本征带隙的减小，使得InN的发光波长达到了1.55um，这样人们就可以用III族氮化物半导体材料通过生长组分连续调整变化覆盖从紫外光到红外光范围，并一直延伸到长波长通讯波段，使得光通讯器件制备可选用材料得到更大的丰富。同时InN以其独特的优良特性有可能为光通讯器件的发展带来新的突破。
MOCVD技术(金属有机物化学汽相外延)生长方法是一种常用的材料生长方法，但如何选择衬底，如何得到高结晶高质量的InN材料仍然值得研究，包括生长的技术条件，缓冲层的设计等等均是生产中需要解决的问题。
发明内容
本发明目的是：提出一种在蓝宝石衬底上利用MOCVD系统先生长高结晶高质量的InN材料的方法，尤其是设计先生长缓冲层，然后生长高质量高结晶的InN材料。尤其是在蓝宝石衬底上利用低温GaN做缓冲层在MOCVD系统中生长一种新型材料InN的方法。
本发明的技术解决方案是：一种生长高结晶氮化铟单晶外延膜的方法，在蓝宝石衬底上利用MOCVD系统先生长GaN缓冲层，在500-700℃温度范围生长厚度在20-100nm的低温GaN缓冲层。然后利用MOCVD生长高结晶的InN材料。
GaN缓冲层生长后对低温GaN缓冲层进行900-1100℃的高温退火。再利用MOCVD生长高结晶的InN材料。
或者先对GaN缓冲层材料进行900℃-1100℃温度的高温退火后，接着在1000℃-1100℃温度生长一层高温GaN缓冲层后再利用MOCVD生长高结晶的InN材料。InN材料生长的更具体条件是在500-700℃温度范围内，生长压力在0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000。
缓冲层生长时在500-700℃温度范围，通入载气N2，氨气以及金属有机Ga源，生长InN时通过有机In源，如三甲基铟。
其中，在蓝宝石衬底上生长InN材料，低温GaN缓冲层的采用以及低温缓冲层的高温退火是本发明的关键。
本发明的机理和技术特点：
利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上合成生长InN薄膜材料。在MOCVD系统中对生长的(100)蓝宝石衬底在1050℃温度下进行材料热处理，然后在一定500-700℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机Ga源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在(100)蓝宝石衬底上合成生长低温GaN缓冲层材料，再对该低温GaN缓冲层材料进行900℃-1100℃温度的高温退火，接着在1000℃-1100℃温度生长一层高温GaN缓冲层或直接在500-700℃温度范围内生长InN薄膜材料。
其中，(100)蓝宝石衬底的高温处理，以及低温或高温GaN缓冲层材料生长工艺，高温处理温度和时间，低温GaN缓冲层材料生长温度，压力，时间等，以及之后的InN材料生长温度，压力等工艺参数是本发明的关键。
本发明实现了在蓝宝石衬底上利用低温GaN做缓冲层在MOCVD系统中生长一种新型材料InN的方法。尤其是设计先生长缓冲层，然后生长高质量高结晶的InN材料。面积尺寸可以达到工业生产使用的尺寸。
附图说明
图1为本发明的在蓝宝石衬底上以GaN为缓冲层生长高质量InN材料的两种结构图。具体的生长工艺条件见表1所示。
图2为本发明的在蓝宝石衬底上以GaN为缓冲层结构生长的高质量InN材料的XRC谱。图2(a)表示无缓冲层GaN的InN材料的XRC扫描图，图2(b)有高温和低温缓冲层GaN的InN材料的XRC扫描图，图2(c)有低温缓冲层GaN的InN材料并经退火的XRC扫描图从图中可以看出，采用本发明方法的结构生长的InN材料质量较好。
具体实施方式
木发明完备的方案是：首先，在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底材料在1050℃温度下进行材料热处理，然后在一定500-700℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机Ga源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层材料，再对该低温GaN缓冲层材料进行900℃-1100℃温度的高温退火，接着在1000℃-1100℃温度生长一层高温GaN缓冲层或直接在500-700℃温度范围内生长InN薄膜材料。
但是，附图表明低温缓冲层GaN的生长较关键，本发明的方案围绕于此也可以获得较好的结果。
本发明在(100)蓝宝石衬底上经过高温处理之后生长低温GaN缓冲层，再生长InN的优化生长条件范围见表1所示。
表1.在蓝宝石衬底上生长InN的优化生长条件范围
| 生长层 | 生长温度(℃) | 压力(Torr) | V/III比 | 材料 |
| 高温处理 | 1000-1100 | 0-700 | - | 蓝宝石衬底 |
| 低温缓冲层 | 500-700 | 0-700 | 500-3000 | GaN，20-200nm厚 |
| 缓冲层退火 | 900-1100 | 0-700 | 500-3000 | GaN |
| 或高温GaN | 1000-1100 | 0-700 | 500-5000 | GaN，20nm-2μm厚 |
| InN材料 | 500-700 | 0-700 | 500-30000 | InN |
本发明利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上合成生长高质量InN薄膜材料。具体包括以下几步：
1、在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在900-1100℃温度下进行材料热处理，或然后通入氨气进行表面氮化。
再在500-1050℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长低温GaN缓冲层材料。并进行900-1100℃的高温退火。生长压力在0-700Torr，尤其控制在300-700Torr。Ga与N的原子比为500-3000，厚20-200nm。
2、或再在该低温GaN缓冲层材料上以900-1050℃生长高温GaN缓冲层。
3、接着在GaN缓冲层上以500-700℃生长高质量InN材料。生长压力在0-700Torr，尤其控制在300-700Torr，视真空系统的性能。
该InN材料具有939cm2/v*s的电子迁移率和3.9*1018cm-3的本底电子杂质浓度，参数指标达到国际先进水平。
Claims (4)
1.一种生长高结晶氮化铟单晶外延膜的方法，其特征是在蓝宝石衬底上利用MOCVD系统先生长GaN缓冲层，在500-700℃温度范围生长厚度在20-100nm的低温GaN缓冲层；GaN缓冲层材料生长压力在0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-3000，厚20-100nm；然后利用MOCVD生长高结晶的InN材料；InN材料生长条件是，在500-700℃温度范围内生长压力在0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000生长InN薄膜材料。
2.由权利要求1所述的生长高结晶氮化铟单晶外延膜的方法，其特征是GaN缓冲层生长后对此缓冲层进行900-1100℃的高温退火；再利用MOCVD生长高结晶的InN材料。
3.由权利要求2所述的生长高结晶氮化铟单晶外延膜的方法，其特征是先对GaN缓冲层材料进行900℃-1100℃温度的高温退火后，接着在1000℃-1100℃温度生长一层高温GaN缓冲层后再利用MOCVD生长高结晶的InN材料。
4.由权利要求2或
所述的生长高结晶氮化铟单晶外延膜的方法，其特征是退火的时间为15-120分钟。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |