CN101230487A - 生长氮化铟单晶薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术在衬底上生长一层成核层，该成核层可增加衬底表面的成核密度；步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术在成核层上生长一层缓冲层，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术在缓冲层上生长氮化铟单晶薄膜，该氮化铟单晶薄膜表面平整，晶体质量高。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种采用金属有机物化学气相沉积技术生长氮化铟单晶薄膜的方法。
背景技术
近年来，III-V族化合物半导体氮化铟由于在光电子和微电子器件上的广阔应用前景，引起了人们极大的兴趣。氮化铟被认为是低损耗高效电池、光学掩模及多种传感器的优选材料。最近的研究表明，氮化铟在太赫兹(THz)辐射中有很好的应用前景，在热光伏系统中则可作为等离子体滤波器材料等。理论计算表明，相对于砷化镓、氮化铝和氮化镓，氮化铟具有优越的稳态和瞬态电子输运特性，其迁移率、峰值速率、饱和漂移速率和尖峰(overshoot)速率极高，其中低场迁移率可以达到3200cm2/V·s，峰值漂移速率可达4.3×107cm/s，且这些电子输运特性不受温度改变的影响，可以预计氮化铟场效应晶体管的截止频率可高达400GHz，这些特性使氮化铟在高频厘米和毫米波器件应用上具有独特的优势。此外，它还可以用作氮化镓/铝镓氮基的场效应晶体管中的沟道，以提高载流子在沟道中的迁移率及降低其通过沟道的渡越时间(transit time)。
但到目前为止，氮化铟在实验上却没有得到如此优越的电学特性。这是因为氮化铟材料在生长上存在一定的困难，其体材料难以制备，而薄膜的生长又面临缺乏晶格常数和热膨胀系数都匹配的衬底材料，以及分解温度较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种生长氮化铟单晶薄膜的方法，该方法是采用金属有机物化学气相沉积技术生长氮化铟单晶薄膜的方法，其可解决金属有机物化学气相沉积技术生长氮化铟薄膜过程中的迁移率比较低的问题，生长条件容易控制，使得氮化铟单晶的外延生长简单。
本发明一种生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术在衬底上生长一层成核层，该成核层可增加衬底表面的成核密度；
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术在成核层上生长一层缓冲层，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术在缓冲层上生长氮化铟单晶薄膜，该氮化铟单晶薄膜表面平整，晶体质量高。
其中所述的衬底是蓝宝石或碳化硅或硅衬底。
其中所述的成核层的材料为AlxInyGa1-x-yN，其中，x+y＝1，0≤x＜1，0≤y＜1。
其中所述的缓冲层的材料为氮化镓。
其中生长成核层时，生长温度为450-1150℃，生长压力为5.33-26.67kPa，厚度为0.01-0.05μm，优选范围为850-1150℃，0.01-0.03μm。
其中生长氮化镓缓冲层时，生长温度为900-1100℃，生长压力为13.33-26.67kPa，厚度为1.00-2.00μm，优选范围为1000-1100℃，1.50-2.00μm。
其中生长氮化铟单晶薄膜时，生长温度为400-650℃，生长压力为13.33-26.67kPa，生长厚度为0.15-0.65μm，优选范围为450-600℃。
本发明采用独特的AlxInyGa1-x-yN缓冲层，通过精确控制生长条件，如温度、压力、V/III比，有效缓解了晶格失配和热膨胀带来的应力；同时，通过控制调整氮化铟外延层的生长条件，降低了氮化铟外延层的缺陷密度，提高了氮化铟外延层的晶体质量，得到了室温迁移率超过1100cm2/V·s的氮化铟单晶薄膜。
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是本发明的氮化铟单晶薄膜生长结构示意图；
图2是本发明的氮化铟单晶薄膜的双晶X射线θ-2θ扫描测试结果；
图3是本发明的氮化铟单晶薄膜的双晶X射线半峰宽测试结果；
图4是本发明的氮化铟单晶薄膜的表面粗糙度测试结果；
图5是本发明的氮化铟单晶薄膜的迁移率测试结果。
具体实施方式
本发明关键在于采用独特的AlxInyGa1-x-yN缓冲层，其中，x+y＝1，0≤x＜1，0≤y＜1。当x＝y＝0时，所采用的AlxInyGa1-x-yN缓冲层即为氮化镓缓冲层。在生长过程中，通过精确控制生长条件，如生长温度、生长压力、V/III比，有效缓解了晶格失配和热膨胀带来的应力；同时，通过控制调整氮化铟外延层的生长条件，降低了氮化铟外延层的缺陷密度，提高了氮化铟外延层的晶体质量，得到了室温迁移率超过1100cm2/V·s的氮化铟单晶薄膜。
在不同温度下形成的成核层、缓冲层可以在节省成本的条件下生长，且使衬底与外延氮化铟薄膜之间的缺陷明显减少。通过成核层、缓冲层的结晶结构，衬底与外延氮化铟薄膜之间的缺陷得以缓和。
请参阅图1所示，本发明是一种采用金属有机物化学气相沉积技术生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底10，该衬底10包括蓝宝石、碳化硅和硅衬底，也包括适合氮化铟单晶薄膜外延的其他衬底；
步骤2：在衬底10上采用金属有机物化学气相沉积技术生长一层AlxInyGa1-x-yN成核层20，其中，x+y＝1，0≤x＜1，0≤y＜1。生长温度为450-1150℃，生长压力为5.33-26.67kPa，厚度为0.01-0.05μm，优选范围为850-1150℃，0.01-0.03μm。该成核层可增加衬底表面的成核密度。
步骤3：在AlxInyGa1-x-yN成核层20上采用金属有机物化学气相沉积技术生长一层氮化镓缓冲层30，生长温度为900-1100℃，生长压力为13.33-26.67kPa，厚度为1.00-2.00μm，优选范围为1000-1100℃，1.50-2.00μm。该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量。
步骤4：最后降低生长温度，在氮化镓缓冲层30上采用金属有机物化学气相沉积技术生长一层氮化铟单晶薄膜40，生长温度为400-650℃，生长压力为13.33-26.67kPa，生长厚度为0.15-0.65μm，优选范围为450-600℃。
本发明提供的采用金属有机物化学气相沉积技术生长氮化铟单晶薄膜的方法中，各生长层具体生长温度、生长压力及生长厚度如表1所示：
表1
| 名称 | 生长温度 | 生长压力 | 生长厚度 | 备注 |
| AlxInyGa1-x-yN成核层20 | 450-1150℃，优选范围为850-1150℃ | 5.33-267kPa | 0.01-0.05μm，优选范围为0.01-0.03μm | x+y＝1，0≤x＜1，0≤y＜1 |
| 氮化镓缓冲层30 | 900-1100℃，优选范围为1000-1100℃ | 13.33-26.67kPa | 1.00-2.00μm，优选范围为1.50-2.00μm | - |
| 氮化铟单晶薄膜40 | 400-650℃，优选范围为450-600℃ | 13.33-26.67kPa | 0.15-0.65μm | - |
对由以上生长步骤得到的样品进行测试分析，可知用此技术生长的氮化铟材料为单晶，晶体结晶质量高，表面较为平整。使用双晶X射线衍射方法证实该材料的(0002)面的θ-2θ衍射图谱中只有氮化铟(0002)和氮化镓(0002)存在(略去相应的衬底峰)，且衍射峰强度高，峰位清晰；没发现单质铟的衍射峰(图2)。双晶X衍射方法还证实该单晶材料(0002)面的摇摆曲线半峰宽小于7.1arcmin(图3)。原子力显微镜测试方法证实该材料表面粗糙度小于7.2n m(图4)。Hall测试方法证实了该材料的室温迁移率达到了1100cm2/V·s(图5)。这说明本发明可以提高氮化铟外延膜的表面平整、室温迁移率超过1100cm2/V·s的氮化铟单晶薄膜。
本发明降低了工艺难度，减少了工艺步骤，获得了具有更低缺陷密度和更高迁移率的氮化铟薄膜材料，同时提高了材料的晶体质量和表面平整度。因此，本发明可显著改善和提高氮化铟薄膜的外延生长质量。
Claims (7)
1.一种生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术在衬底上生长一层成核层，该成核层可增加衬底表面的成核密度；
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术在成核层上生长一层缓冲层，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术在缓冲层上生长氮化铟单晶薄膜，该氮化铟单晶薄膜表面平整，晶体质量高。
2.根据权利要求1所述的生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，其中所述的衬底是蓝宝石或碳化硅或硅衬底。
3.根据权利要求1所述的生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，其中所述的成核层的材料为AlxInyGa1-x-yN，其中，x+y＝1，0≤x＜1，0≤y＜1。
4.根据权利要求1所述的生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，其中所述的缓冲层的材料为氮化镓。
5.根据权利要求1所述的生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，其中生长成核层时，生长温度为450-1150℃，生长压力为5.33-26.67kPa，厚度为0.01-0.05μm，优选范围为850-1150℃，0.01-0.03μm。
6.根据权利要求1所述的生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，其中生长氮化镓缓冲层时，生长温度为900-1100℃，生长压力为13.33-26.67kPa，厚度为1.00-2.00μm，优选范围为1000-1100℃，1.50-2.00μm。
7.根据权利要求1所述的生长氮化铟单晶薄膜的方法，其特征在于，其中生长氮化铟单晶薄膜时，生长温度为400-650℃，生长压力为13.33-26.67kPa，生长厚度为0.15-0.65μm，优选范围为450-600℃。
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