CN100407465C - 一种生长在蓝宝石衬底上的复合缓冲层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生长在Al2O3衬底上的复合缓冲层及制备方法，该复合缓冲层包括：依次排列生成的AlN层、GaN层、InN:Mn层及InN过渡层。制备方法采用MBE生长方式，首先采用高温氮化技术在Al2O3表面形成AlN层；再分三步进行GaN层生长；进一步在GaN层上，生长InN:Mn层；再生长InN过渡层。由于Mn的扩散系数较大，在InN薄膜生长时掺入少量的Mn原子可以起到活性剂作用，有利于InN的成核和InN成核岛之间的融合，使得InN:Mn在GaN层上很快由三维变为二维生长。为防止Mn的扩散对于后续InN单晶薄膜的物理性质的影响，在生长好InN:Mn层后，再生长InN过渡层。最后，在AlN-GaN-InN:Mn-InN复合缓冲层的基础上就可生长高质量的InN单晶薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体外延材料制备用的衬底，具体是指一种专用于生长氮化铟(InN)单晶薄膜的由蓝宝石(Al2O3)衬底上生长的复合缓冲层及制备方法。
背景技术
InN是一种具有广泛用途的III族氮化物半导体材料，InN和GaN或AlN的结合可以使发光二极管的发光范围从紫外扩展到近红外区域。研究表明InN是氮化物半导体材料中有效质量最轻，具有高迁移率和饱和电子漂移速率。在150-300K温度范围，InN的输运性质优于GaN，利用InN制备毫米波器件具有独特的优势。通过研究InN中瞬态电子输运特性，表明InN基场效应管具有超快速度，因此是制备高速高性能的异质结场效应晶体的潜在半导体材料。另外最近的研究表明，InN的能隙为0.7eV，远低于以前报道的2eV。同时也发现随着Ga组分的增加，In1-xGaxN能隙可从0.7eV增加到3.4eV。这种简单的半导体合金几乎和太阳光谱相匹配。理论研究表明制备In1-xGaxN多结太阳能电池，其理想转换效率可高达72％以上。因此有望制备高效全光谱InN系太阳能电池。
由于InN有上述很强的应用背景，已引起人们的广泛关注。目前已经发展了多种制备InN薄膜材料的方法，如溅射方法、金属有机气相沉积(MOCVD)方法、分子束外延(MBE)技术。MBE技术被认为是生长InN薄膜材料的最好方法。但是由于生长InN需要晶格常数和热扩散系数相近的衬底材料，目前普遍采用蓝宝石(Al2O3)衬底，在Al2O3衬底上低温生长GaN或InN缓冲层，来解决InN薄膜材料和衬底的匹配问题，但是这种方法生长的薄膜材料晶体质量还是不够好，并且生长条件比较难控制。许多研究表明缓冲层的选择和相关工艺条件是InN薄膜材料生长的关键技术之一。因此探索新的缓冲层，有望得到生长高质量InN单晶薄膜。
发明内容
本发明的目的就是要探索一种专用于生长InN单晶薄膜的由Al2O3衬底上生长的复合缓冲层及制备方法，从而获得高质量InN外延单晶薄膜。
本发明的一种生长在Al2O3衬底上的复合缓冲层，包括：依次排列生成的AlN层、GaN层、InN:Mn层及InN过渡层。
该复合缓冲层采用MBE生长方式，其具体制备步骤如下：
§1.对Al2O3衬底进行高温氮等离子处理，在其表面形成一层厚度为2-4nm的AlN层，处理条件：温度为680-720℃、时间为40-60min、氮流量5-7sccm；
§2.然后在AlN层上生长GaN层，GaN层的生长分三步进行：首先将衬底降温到480-520℃，生长厚度为8-15nm的低温GaN层；然后升温至880-920℃，在该高温下退火，退火时间：10-20min；而后在740-760℃高温下，在富Ga的条件下再生长GaN层，厚度为15-25nm；
§3.再在GaN层上生长InN:Mn层，将上述衬底温度降到290-310℃，在该低温下生长InN:Mn层。在生长过程中In源的温度为820-850℃，Mn源的温度为700-730℃，InN的生长速度为2-3nm/min，Mn的浓度为0.8-2％，InN:Mn层的厚度为5-50nm。
§4.为了防止Mn在后面生长InN单晶薄膜时，扩散进入InN单晶薄膜，在InN:Mn层上继续低温生长InN过渡层，生长条件同§3，只是不加Mn掺杂源，InN过渡层厚度为30-70nm。
本发明的机理和特点是：
由于Al2O3和InN的晶格失配很大，高达25％，较难生长高质量InN薄膜。采用高温氮化技术在Al2O3表面形成AlN层，再分三步进行GaN层生长，在富Ga条件下，GaN薄膜很快转变为二维生长，为后续生长高质量InN薄膜提供了基础。
进一步在上述的GaN层上，生长InN:Mn层，由于Mn的扩散系数较大，在InN薄膜生长时掺入少量的Mn原子。Mn可以起到活性剂作用，有利于InN的成核和InN成核岛之间的融合。使得InN在GaN层上很快由三维变为二维生长，考虑到Mn在不同温度下的固溶限和扩散等因数，InN:Mn的生长温度为300℃，Mn的组分为1-2％，这时InN:Mn为很好的二维生长。
为防止Mn的扩散对于后续InN单晶薄膜的物理性质的影响。在生长好InN:Mn层后，再生长InN过渡层，其厚度约为30-50nm，该层可阻挡Mn向InN单晶薄膜的扩散。
在上述AlN-GaN-InN:Mn-InN复合缓冲层的基础上就可生长高质量的InN单晶薄膜。
附图说明
图1为本发明的一种生长在Al2O3衬底上的复合缓冲层的结构示意图。
图2为本发明的复合缓冲层在不同生长阶段的反射高能电子衍射图。
图3是InN薄膜生长在不同缓冲层上的原子力显微图(AFM)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施过程情况作详细说明：
见图1，本发明的一种生长在Al2O3衬底1上的复合缓冲层，包括：依次排列生成的AlN层2、GaN层3、InN:Mn层4、InN过渡层5，InN外延层6。
图2为复合缓冲层依次排列不同生长阶段的原位反射高能电子衍射图(RHEED)。
图2a)为Al2O3衬底经常规表面清洁处理，并在MBE腔体中真空除气后在700℃下的RHEED图。
图2b)为Al2O3衬底在700℃下，在氮等离子体辐照下形成的AlN层，其中辐照时间为50分钟，氮流量6sccm，氮等离子的激发功率为250W。从图中可见表面平整AlN层已经形成。
图2c)为降低衬底温度到500℃，在AlN层上生长GaN层，厚度约10nm的RHEED图。
图2d)为将衬底温度升高到900℃，退火15min的RHEED图。
图2e)为将上述衬底温度降到750℃，在富Ga条件下，再生长20nm厚的GaN外延层的RHEED图。可见在富Ga条件下GaN薄膜很快转变为二维生长。相应的原子力显微图(AFM)研究也表明该GaN层为原子级平整。
图2f)为将上述衬底温度降到300℃，In源温度为835℃，Mn源温度为710℃，Mn的组分为1.2％，生长厚度为5nm InN:Mn层的RHEED图。图2g)为生长条件与图2f)相同，厚度为30nm InN:Mn层的RHEED图。可见由于Mn具有活性剂作用，InN:Mn为二维外延生长，表面非常平整。
图2h)为在上述InN:Mn层后继续生长约50nm的InN层，生长温度300℃，由图可见，由于InN:Mn为二维生长，该InN膜也呈二维生长，表面非常平整。
图2i)为在上述AlN-GaN-InN:Mn-InN复合缓冲层上生长厚度近1微米的InN外延薄膜的RHEED图，其典型的生长温度为500℃，In束流源的温度为835℃，N等离子源的激发功率为250W，氮流量6sccm，InN的生长速率约为3nm/min。由于是在平整的低温InN过渡层上同质外延生长，该InN薄膜一直保持很好的二维生长。
图3是InN外延薄膜的原子力显微图(AFM)，图3a)是在GaN缓冲层上生长的InN外延薄膜的AFM图，可见该薄膜为三维生长，表面比较粗糙。图3b是在AlN-GaN-InN:Mn-InN复合缓冲层上生长的InN外延薄膜的AFM图。可见在InN中掺入适量的Mn，可诱导该薄膜由三维向二维转变，并使表面非常平整。由此可见，本发明的复合缓冲层为生长高质量InN单晶薄膜提供很好的基础。
本发明的复合缓冲层同样适用在SiC，Si或Ge的衬底上实施，只是省略了氮化过程。
本发明的复合缓冲层中的InN:Mn还可用InN:Sb或InN:Bi替代，同样可生长高质量InN单晶薄膜。
Claims (2)
1.一种生长在Al2O3衬底(1)上的复合缓冲层，其特征在于：该复合缓冲层包括：依次排列生成的AlN层(2)、GaN层(3)、InN:Mn层(4)及InN过渡层(5)。
2.一种生长在Al2O3衬底(1)上的复合缓冲层的制备方法，该复合缓冲层采用MBE生长方式，其特征在于具体制备步骤如下：
§A.对Al2O3衬底进行高温氮等离子处理，在其表面形成一层厚度为2-4nm的AlN层，处理条件：温度为680-720℃、时间为40-60min、氮流量5-7sccm；
§B.然后在AlN层上生长GaN层，GaN层的生长分三步进行：首先将衬底降温到480-520℃，生长厚度为8-15nm的低温GaN层；然后升温至880-920℃，在900℃高温下退火，退火时间：10-20min；而后在740-760℃高温下，在富Ga的条件下再生长GaN层，厚度为15-25nm；
§C.再在GaN层上生长InN:Mn层，将上述衬底温度降到290-310℃，在该低温下生长InN:Mn层，在生长过程中In源的温度为820-850℃，Mn源的温度为700-730℃，InN的生长速度为2-3nm/min，Mn的浓度为0.8-2％，InN:Mn层的厚度为5-50nm；
§D.为了防止Mn在后面生长InN单晶薄膜时，扩散进入InN单晶薄膜，在InN:Mn层上继续低温生长InN过渡层，生长条件同§C，只是不加Mn掺杂源，InN过渡层厚度为30-70nm。
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