CN101525740B - 生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法，所述方法是在生长氮化铟的同时通入少量四氯化碳，其包括如下步骤：选择一衬底；将衬底放入金属有机物化学气相沉积系统内，升温并通入氨气预处理；降温至生长温度，同时通入三甲基铟(TMI)、氨气(NH₃)、少量四氯化碳，生长出高质量的氮化铟单晶外延膜。本发明可以提高InN的结晶质量，并提高表面的平整度。

Description

生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及高质量氮化铟单晶外延膜的外延生长方法。

背景技术

III族氮化物半导体氮化铟(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，所以在高速器件领域有着很广阔的应用前景；InN具有最小的直接带隙，使得它成为红外波长发光器件的合适材料。但目前由于InN的体单晶制备非常困难，还没有关于体单晶制备的相关报道。而InN单晶外延膜的制备则因为InN低的分解温度和缺乏与之匹配的异质衬底材料而变得困难。目前InN的外延生长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。在八十年代之前，尽管人们尝试了很多方法如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，分子束外延(MBE)，离子溅射等，但得到的多是多晶的InN外延膜。九十年代后，高质量的单晶InN外延膜的生长技术被广泛研究。这些研究包括采用MOCVD和MBE等外延方法在不同衬底和缓冲层上进行生长及不同生长参数的优化，所制备的InN外延膜结晶质量得到显著提高。目前，采用MBE方法生长的InN外延膜的结晶质量优于MOCVD方法生长的InN。但是，由于MOCVD方法生长的其他GaN基外延材料的结晶质量、光电性能全面优于MBE方法，所以InN要与高质量的氮化物合金构成器件则必须在MOCVD环境中生长。因此，如何进一步提高MOCVD生长的InN外延膜的结晶质量是氮化物材料发展的一个重要问题。

本发明以前的采用MOCVD方法外延InN大多采用AlN或GaN缓冲层，或者在GaN衬底上直接外延InN。这样虽然在一定程度上减小InN外延膜和衬底的晶格失配，提高了InN外延膜的晶体质量。但是由于InN在生长过程中对表面的N平衡气压要求比较高，InN的分解温度比较低，决定了InN只能在较低的生长温度下生长。而InN的MOCVD生长采用氨气做N源，在比较低的生长温度(～500℃)下，氨气的裂解效率很低，表面缺乏反应活性的N原子，InN的生长被限制，在InN外延膜中常会存在少量的铟滴。另一方面，在较低的生长温度下，表面吸附原子的迁移能力比较低，生长高质量的InN单晶外延膜非常困难。由于这些问题的存在，使得InN单晶外延膜的结晶质量还不是很高，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质量氮化铟单晶外延膜的方法，所述方法是通过在生长氮化铟的同时通入少量卤化物，由于卤化物可以腐蚀生长中的过量金属铟，因而可以有效抑制铟滴的出现。同时由于卤化物还在一定程度上增强了表面吸附的In源的横向迁移能力，可以提高InN的结晶质量，并提高表面的平整度。

本发明提供了一种生长高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；

将衬底放入金属有机物化学气相沉积系统内，升温并通入氨气预处理；

降温至生长温度，同时通入三甲基铟、氨气、少量四氯化碳，生长出氮化铟单晶外延膜。

所述的衬底为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC、GaAs、InAs、GaP、InP、MgAl₂O₄中任一种或这些衬底的复合衬底。

所述的预处理温度为500-900℃，压力为2.6-101千帕斯卡，氨气为0.5-2slm，时间为5-20分钟。

所述的氮化铟外延膜的生长温度为400-550℃，压力为2.6-101千帕斯卡，氮气作载气。

四氯化碳被CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、HF、CHCl₃、CH₂Cl₂、CH₃Cl、HCl、CHBr₃、CH₂Br₂、CH₃Br、HBr、CHI₃、CH₂I₂、CH₃I、HI中的一种替换。

所述四氯化碳与三甲基铟的摩尔比≤0.06，＞0。

附图说明

图1是本发明的高质量氮化铟单晶外延膜生长结构示意图；

图2是本发明的高质量氮化铟单晶外延膜与常规方法生长的氮化铟外延膜的双晶X射线ω-2θ扫描测试结果的对比；

图3是本发明的高质量氮化铟单晶外延膜与常规方法生长的氮化铟外延膜的双晶X射线摇摆曲线半峰宽测试结果的对比；

图4(a)是常规方法生长的氮化铟外延膜的SEM表面；

图4(b)是本发明的高质量氮化铟单晶外延膜的SEM表面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明关键在于解决InN异质外延生长过程中的晶体质量比较差的问题。由于InN的分解温度很低，限制了生长只能在较低的温度下进行，而在较低的生长温度下MOCVD外延生长InN时氨气的裂解效率很低，表面缺乏反应活性的N原子，使得生长的InN外延膜中经常出现铟滴，再加上表面吸附原子的迁移能力比较低，使得InN单晶外延生长非常困难。本发明为了解决InN外延时容易出现铟滴和表面迁移能力较低的问题，提出了在InN生长过程中通入少量四氯化碳来腐蚀生长过程中产生的过量金属铟并且增强表面吸附原子的横向迁移，从而提高InN单晶外延膜的结晶质量的解决方案。

如图1所示，本发明一种生长高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，该衬底为氮化镓/蓝宝石复合衬底材料；

将衬底10放入金属有机物化学气相沉积系统内升温并通入氨气预处理，其中预处理衬底时，温度为700℃，压力为常压，氨气为1slm，时间为10min；

降低衬底10的温度，同时通入三甲基铟(TMI)、氨气(NH₃)、少量CCl₄，生长氮化铟外延膜，生长温度为500℃，压力为常压，CCl₄与TMI的摩尔比为0.008，生长厚度为450nm。

对由以上步骤获得的样品进行测试分析，证明由此方法生长的氮化铟材料为单晶，与常规方法生长的氮化铟外延膜相比，结晶质量提高且表面更平整。使用双晶X射线衍射方法证实该材料的(0002)ω-2θ衍射图谱(如图2中正方形标志的连线)中只有InN(0002)峰和GaN(0002)的衬底峰存在，没有发现金属铟的衍射峰；而相同的生长参数采用常规方法生长的氮化铟外延膜(0002)ω-2θ衍射图谱(如图2中三角形标志的连线)中不仅有InN(0002)峰和GaN(0002)的衬底峰存在，还出现了金属铟的衍射峰In(101)。双晶X射线衍射方法还证实该材料(0002)面的摇摆曲线(如图3中正方形标志的连线)半峰宽小于常规方法生长的氮化铟外延膜(0002)面的摇摆曲线(如图3中三角形标志的连线)半峰宽。扫描电镜测试方法证实该材料的表面平整，岛的顶部为平台状，岛的横向尺寸(如图4(b))大于相同的生长参数采用常规方法生长的氮化铟材料岛的横向尺寸(如图4(a))。这说明本发明可以提高InN外延膜的表面平整度并得到高质量的InN单晶外延膜。

本发明利用改进的生长方案采用在InN生长过程中通入卤化物解决了氮化铟外延生长时容易出现铟滴和表面吸附原子迁移能力低的问题，改善了生长工艺，最终得到高质量的InN单晶外延膜。

所述的卤化物为CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、HF、CCl₄、CHCl₃、CH₂Cl₂、CH₃Cl、HCl、CHBr₃、CH₂Br₂、CH₃Br、HBr、CHI₃、CH₂I₂、CH₃I、HI中的一种。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种生长高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；

将衬底放入金属有机物化学气相沉积系统内，升温并通入氨气预处理；

降温至生长温度，同时通入三甲基铟、氨气、少量四氯化碳，生长出氮化铟单晶外延膜；

所述四氯化碳与三甲基铟的摩尔比为大于0小于0.06。

2.根据权利要求1所述的生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，所述的衬底为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC、GaAs、InAs、GaP、InP、MgAl₂O₄中任一种或这些衬底的复合衬底。

3.根据权利要求1所述的生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，所述的预处理温度为500-900℃，压力为2.6-101千帕斯卡，氨气为0.5-2slm，时间为5-20分钟。

4.根据权利要求1所述的生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，所述的氮化铟外延膜的生长温度为400-550℃，压力为2.6-101千帕斯卡，氮气作载气。

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