CN101345192B - InAlN缓冲层生长AlN的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种InAlN缓冲层生长AlN和AlGaN的方法，其采用金属有机化学气相沉积外延生长系统在衬底上生长高质量AlN和AlGaN，该方法采用下述工艺步骤：(1)、在衬底上直接生长InAlN缓冲层或者生长完AlN或AlGaN形核层后再生长InAlN缓冲层；(2)、在InAlN缓冲层上生长高质量的AlN或AlGaN结晶层；(3)、进行器件结构的多层生长。利用本方法生长AlN或AlGaN晶体时，能降低材料的位错密度，改善界面平整度，提高材料的质量；同时增大生长窗口，使材料生长更容易，进而改善日盲型的紫外探测器件的性能，大大提高我国探测器件的武器装备水平。而且探测器件也是民用火灾监测系统的主要部件。

Description

InAlN缓冲层生长AlN的方法

技术领域

本发明涉及一种InAlN缓冲层生长AlN和AlGaN的方法，本发明属于氮化物基材料生长与器件制作领域。 

背景技术

由于氮化物材料的宽禁带、低介电常数、耐高温、耐腐蚀、抗辐射等特性，非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。在光电器件方面，氮化物材料也有着优良的性能，首先GaN不吸收可见光，制成的紫外探测器可以做到可见光盲，不需要滤光系统，而且不需要做成浅结，这样可以大大提高量子效率，现在GaN基的紫外探测器已经开始了商业化的道路；其次大于50％高Al组分的AlGaN可以做到日盲，近年来，人们对AlGaN基日盲型的紫外探测器进行了大量的研究工作，而且AlGaN基日盲型的紫外探测器在军事上也有着非常重要的应用，因此生长出高质量的AlGaN材料在显得尤为重要。传统上，在生长氮化物型半导体元件时，通常需要在衬底上生长缓冲层，还有的在生长过程中再加入插入缓冲层，以改善随后生长的主要氮化物型材料的晶体质量，降低位错以及提高界面和表面的质量。自第一个AlGaN基日盲型的紫外探测器问世以来，在材料生长和器件制作方面都取得了巨大的进步。目前生长这种材料一般都是采用MOCVD外延生长系统，采用AlN做为缓冲层。在衬底上进行AlGaN/AlN异质结生长，分别以TMGa、TMAl和NH3作为Ga、Al和N源，以氮气、氢气或者氮氢混合气为载气，材料生长的衬底(如蓝宝石、Si、SiC等)。但是由于AlN和衬底之间存在大的晶格失配和热失配，使AlN异质外延时会产生高密度的位错，如刃位错、失配位错以及界面粗糙等缺陷都对后面AlGaN的生长造成严重的影响，进而降低AlGaN材料的晶体质量。因此必须降低AlN和AlGaN异质外延时产生的位错，提高界面质量和表面形貌，进而提高材料晶体质量和日盲型的紫外探测器的性能。从文献报道来看，解决上述AlN和AlGaN异 质外延问题一般方法就是调节V族元素和III族元素的摩尔比、生长温度、气流速率、流量等，这些方法有一个严重的不足之处就是使材料的生长窗口变得极窄，生长条件很难把握，生长的重复性很不好。其中只有将生长温度提高到1400℃～1500℃左右可以提高AlN晶体质量得到了世界的公认，但是现在世界上商用的外延炉很少有能达到这么高温度的。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高AlN和AlGaN材料与相关器件性能的InAlN缓冲层生长AlN和AlGaN的方法。 

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：采用金属有机化学气相沉积外延生长系统在衬底上生长高质量AlN和AlGaN，该方法采用下述工艺步骤：(1)、在衬底上直接生长InAlN缓冲层或者生长完AlN或AlGaN形核层后再生长InAlN缓冲层； 

(2)、在InAlN缓冲层上生长高质量的AlN或AlGaN结晶层； 

(3)、进行器件结构的多层生长。 

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过InAlN缓冲层技术解决现有技术中存在的难题。InAlN的晶格常数比AlN更接近衬底，同时InAlN是在低温下生长，在低温下Al原子的活性非常差，但是In的活性恰好能促进Al原子的移动从而提高晶体质量，而且17％In组分InAlN的水平晶格常数与GaN相同，但是他的禁带宽度却比GaN高0.9eV，这样还防止了GaN做缓冲层时背入射AlGaN日盲型的紫外探测器的吸收问题。在传统生长中，有用低温AlN做缓冲层的，但是位错密度非常大，所以随后的晶体质量很难提高；也有用高温AlN做缓冲层的，在高温生长时，外延温度在1400℃～1500℃以下时直接在衬底上生长时开始的副反应会很严重，晶体质量也很难提高。 

因此利用本发明生长AlN或AlGaN晶体时，能降低材料的位错密度，改善界面平整度，提高材料的质量；同时增大生长窗口，使材料生长更容易，进而改善日盲型的紫外探测器件的性能，大大提高我国探测器件的武器装备水平。 而且探测器件也是民用火灾监测系统的主要部件。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1是本发明的结构示意图； 

图2-6是本发明另几种结构示意图。 

具体实施方式

本发明生长设备用的是金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长系统，材料生长所用衬底为蓝宝石、Si、SiC等，其生长气氛以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，以氮气、氢气或者氮氢混合气为载气。 

下面是图1-6所示各结构的生长步骤和结构情况：其中，InAlN缓冲层、AlN层和AlGaN层的生长方法均采用常规的生长方法。在图1-6中，1为AlN层、2为InAlN缓冲层、3为衬底、4为AlGaN层。 

图1为在衬底3上生长一层InAlN缓冲层2，然后生长AlN层1，这层AlN可以是先生长低温AlN层再高温AlN层或者直接高温AlN层。 

图2为在衬底3上生长一层InAlN缓冲层2，然后生长高温AlGaN层4。 

图3为在衬底上生长一层AlN形核层1，这层AlN可以是先生长低温AlN层再高温AlN层或者直接高温AlN层，然后生长InAlN缓冲层2，最后生长高温AlN层1。 

图4为在衬底上生长一层AlN形核层1，这层AlN可以是先生长低温AlN层再高温AlN层或者直接高温AlN层，然后生长InAlN缓冲层2，最后生长高温AlGaN层4。 

图5为在衬底上生长一层高温AlGaN形核层4，然后生长InAlN缓冲层2，最后生长高温AlN层1。 

图6为在衬底上生长一层高温AlGaN形核层4，然后生长InAlN缓冲层2，最后生长高温AlGaN层4。 

Claims (2)

1.一种InAlN缓冲层生长AlN的方法，采用金属有机化学气相沉积外延生长系统在蓝宝石衬底上生长AlN，其特征在于该方法采用下述工艺步骤：

(1)在蓝宝石衬底上直接生长InAlN缓冲层；

(2)在InAlN缓冲层上先生长低温AlN再生长高温AlN；

(3)进行器件结构的多层生长。

2.根据权利要求1所述的InAlN缓冲层生长AlN的方法，其特征在于生长气氛为以三甲基铝作为Al源、三甲基铟作为In源，以氨气作为N源，以氮气、氢气或者氮氢混合气为载气。

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