CN101538740A - AlGaN薄膜材料及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种AlGaN薄膜材料，主要解决目前高质量AlGaN薄膜材料生长困难的问题。它包括：衬底、低温AlN缓冲层、高温AlN基板层和目标AlYGa1－YN层，该目标AlYGa1－YN层的Al组份Y值为：0.1≤Y≤0.8；其特征是在高温AlN基板层与目标AlYGa1－YN层之间插入有AlXGa1－XN插入层，该AlXGa1－XN插入层的Al组份X值为：0＜X＜Y。所述薄膜材料的生长采用金属有机化合物气相沉积MOCVD法，在蓝宝石或者碳化硅衬底上，先生长低温AlN缓冲层及高温AlN基板层，再生长AlXGa1－XN插入层，最后生长所需Al组分的目标AlYGa1－YN层。本发明能有效调控薄膜生长过程中的应力，使得材料中的张应力和压应力保持平衡，提高了目标AlYGa1－YN层的材料质量，可用于制作紫外、深紫外的半导体光电器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及氮化物半导体材料，用于制作氮化物半导体电子和光电器件。
背景技术
III-V族氮化物半导体是非常理想的制作光电器件的材料，其发光波长可以从绿光、蓝光、一直到深紫外光。目前，由III-V族氮化物半导体材料制作的蓝、绿光LED在市场应用方面获得了巨大的成功。然而，对于波长小于350nm的深紫外LED器件在研究阶段进展缓慢，这主要是因为制作深紫外光LED材料所需的高质量、无裂纹的高Al组份AlGaN材料生长很难获得。对于异质外延的半导体材料来讲，应力的控制是获得高质量AlGaN材料的关键。针对这个问题，不同的研究者采用了不同的方法。Kamiyama等人采用低温AlN层插入层来控制生长于GaN基板上的AlGaN薄膜中的张应力，参见S.Kamiyama，M，Sawaki，et.al.J.Cryst.Growth 223(2001)83.。Han等人采用低温AlGaN的周期性插入有效缓解了AlGaN薄膜中的应力，参见J.Han，K.E.Waldrip，S.R.Lee，J.J.Figiel，S.J.Hearne，G.A.Petersen and S.M.Myers.Appl.Phys.Lett.78(2001)83。Bykhovsky等人和Zhang J.P等人分别采用GaN/AlN以及GaN/AlGaN的超晶格结构来缓解薄膜中的张应力，参见A.D.Bykhovski，B.L.Gelmont and M.S.Shur.J.Appl.Phys.81(1997)6332.和J.P.Zhang，H.M.Wang，M.E.Gaevski，C.Q.Chen，Q.Fareed，J.W.Yang，G.Simin and M.A.Khan.Appl.Phys，Lett.80(2002)3542.。这几种方法的共同点是：引入压应力来缓解生长于GaN基板或者直接在蓝宝石衬底上生长的AlGaN薄膜中的张应力，以避免裂纹的出现。而Khan等人采用脉冲法首先生长一层高质量AlN，然后再生长AlGaN薄膜，参见M.A.Khan，J.N.Kuznia，R.A.Skogman，D.T.Olson，M.Macmillan and W.J.Choyke.Appl.Phys.Lett.61(1992)2539.，这种方法的特点是在AlN上外延AlGaN薄膜，由于AlN的晶格常数小于AlGaN，AlGaN薄膜在生长时就会受到了AlN层施加的压应力作用，因而不会有裂纹的出现。由此可见，AlN层可以为AlGaN薄膜的生长提供足够的压应力作用而避免裂纹的出现。然而，对于不同Al组份的AlGaN材料，其所需要引入的压应力的大小是不一样的，若AlGaN和AlN之间的晶格失配太大，此时AlGaN薄膜受到的AlN层施加的压应力就太大，过大的压应力会降低AlGaN材料的生长质量。
发明内容
本发明的目的在于克服以上技术的缺点，提出了一种AlGaN薄膜材料及其生长方法，以有效调控材料生长中的应力，提高AlGaN材料的生长质量。
为实现上述目的，本发明提供的AlGaN薄膜包括：衬底，低温AlN缓冲层，高温AlN基板层，目标AlYGa1-YN层，其特征在于：高温AlN基板层与目标AlYGa1-YN层之间插入有AlXGa1-XN插入层。
所述的目标AlYGa1-YN层的Al组份Y值为：0.1≤Y≤0.8；所述的AlXGa1-XN插入层的Al组份X值为：0＜X＜Y。
为实现上述目的，本发明提供的薄膜材料生长方法，有以下两种：
生长方法一，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上生长5-20nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为550℃-700℃；
(2)在低温AlN缓冲层上，生长20nm-5μm的高温AlN基板层，生长高温温度为1000℃-1200℃；
(3)在高温AlN基板层上，生长AlXGa1-XN插入层，插入层的Al组份低于目标AlYGa1-YN层的Al组份，插入层生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为5nm-300nm；
(4)在AlXGa1-XN插入层上，生长目标AlYGa1-YN层，生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为100nm-10μm。
生长方法二，包括如下步骤：
1)在碳化硅衬底上生长2-10nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为550℃-700℃；
2)在低温AlN缓冲层上，生长20nm-5μm的高温AlN基板层，生长高温温度为1000℃-1200℃；
3)在高温AlN基板层上，生长AlXGa1-XN插入层，插入层的Al组份低于目标AlYGa1-YN层的Al组份，插入层生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为5nm-300nm；
4)在AlXGa1-XN插入层上，生长目标AlYGa1-YN薄膜，生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为100nm-10μm。
本发明由于在AlN基板层和所要制备的目标AlYGa1-YN层间插入了一层用以调节应力的AlxGa1-xN插入层，因而具有如下优点：
1.为整个材料外延的多层体系中引入了面内张应力的作用，该张应力有效的抵消了AlN基板与目标AlYGa1-YN层之间由于晶格失配而产生的过大的面内压应力作用，使得材料中的张应力和压应力保持平衡，从而提高目标AlYGa1-YN层的材料质量；
2.方法简单，AlXGa1-XN插入层的生长条件与目标AlYGa1-YN层的生长条件基本一致，只需改变Al、Ga组份比即可完成AlXGa1-XN插入层的生长。
3.AlXGa1-XN插入层的引入还能够有效地减少材料中的缺陷。
附图说明：
图1是本发明提供的AlXGa1-XN插入层的结构示意图；
图2是本发明在蓝宝石衬底上生长AlXGa1-XN材料的过程示意图；
图3是本发明在碳化硅衬底上生长AlXGa1-XN材料的过程示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明中的薄膜包括：衬底，低温AlN缓冲层，高温AlN基板层，AlXGa1-XN插入层和目标AlYGa1-YN层。其中最下面为衬底，最上面为目标AlYGa1-YN层，衬底上为低温AlN缓冲层，低温缓冲层上为高温AlN基板层，AlXGa1-XN插入层位于高温AlN基板层与目标AlYGa1-YN层之间。该目标AlYGa1-YN层的Al组份Y值为：0.1≤Y≤0.8。该AlXGa1-XN插入层的Al组份X值为：0＜X＜Y。
参照图2，本发明给出以下在蓝宝石衬底上生长AlGaN薄膜材料的三种实施例：
实例1，基于蓝宝石衬底的AlXGa1-XN(X＝0.1)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气作为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下：
步骤一，在蓝宝石衬底上生长5nm的低温AlN缓冲层，
首先将衬底温度加热到1000℃，在氮气气氛中对衬底进行氮化处理5分钟；然后开始材料的生长，生长低温温度为550℃，反应室压力为40Torr，在蓝宝石衬底上生长出5nm的低温AlN缓冲层；
步骤二，在低温AlN缓冲层上，在高温温度为1000℃，反应室压力为40Torr的条件下生长20nm的高温AlN基板层；
步骤三，在高温AlN基板层上，生长5nm的AlYGa1-YN(Y＝0.05)插入层，该插入层的生长温度为1000℃，反应室压力为40Torr；
步骤四，在Al0.05Ga0.95N插入层上，生长10μm的目标AlXGa1-XN(X＝0.1)层，生长温度为900℃，反应室压力为40Torr。
实例2，基于蓝宝石衬底的AlXGa1-XN(X＝0.3)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气作为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下：
步骤一，在蓝宝石衬底上生长5nm的低温AlN缓冲层，
首先将衬底温度加热到1000℃，在氮气气氛中对衬底进行氮化处理5分钟；然后开始材料的生长，在低温温度为600℃，反应室压力为40Torr的工艺条件下，在蓝宝石衬底上生长10nm的低温AlN缓冲层；
步骤二，在低温AlN缓冲层上，生长80nm的高温AlN基板层，生长高温温度为1050℃，反应室压力为40Torr；
步骤三，在高温AlN基板层上，生长300nm的AlYGa1-YN(Y＝0.2)插入层，生长温度为900℃，反应室压力为40Torr；
步骤四，在Al0.3Ga0.7N插入层上，生长5μm的目标AlXGa1-XN(X＝0.3)层，生长温度为1070℃，反应室压力为40Torr。
实例3，基于蓝宝石衬底的AlXGa1-XN(X＝0.8)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气、三甲基铝、三乙基镓分别作为氮源、铝源和镓源，氢气为载气。生长步骤如下：
步骤一，在蓝宝石衬底上生长20nm的低温AlN缓冲层；
首先将衬底温度加热到1000℃，在氮气气氛中对衬底进行氮化处理5分钟；然后在低温温度为700℃，反应室压力为40Torr的条件下，生长出20nm的低温AlN缓冲层：
步骤二，在低温AlN缓冲层上，生长5μm的高温AlN基板层，生长高温温度为1200℃，反应室压力为40Torr；
步骤三，在高温AlN基板层上，生长10nm的AlYGa1-YN(Y＝0.7)插入层，生长温度为1200℃，反应室压力为40Torr。
步骤四，在Al0.2Ga0.8N插入层上，生长100nm的目标AlXGa1-XN(X＝0.8)层，生长温度为1200℃，反应室压力为40Torr。
参照图3，本发明给出以下在碳化硅衬底上生长AlGaN薄膜材料的三种实施例：
实例1，基于碳化硅衬底的AlXGa1-XN(X＝0.2)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气作为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下：
步骤1，在碳化硅衬底上生长2nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为550℃，反应室压力为40Torr；
步骤2，在低温AlN缓冲层上，生长20nm的高温AlN基板层，生长高温温度为1000℃，反应室压力为40Torr；
步骤3，在高温AlN基板层上，生长300nm的AlYGa1-YN(Y＝0.15)插入层，生长温度为900℃，反应室压力为40Torr；
步骤4，在Al0.15Ga0.85N插入层上，生长10μm的目标AlXGa1-XN(X＝0.2)层，生长温度为900℃，反应室压力为40Torr。
实例2，基于碳化硅衬底的AlXGa1-XN(X＝0.45)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气作为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下：
步骤1，在碳化硅衬底上生长5nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为650℃，反应室压力为40Torr；
步骤2，在低温AlN缓冲层上，生长200nm的高温AlN基板层，生长高温温度为1100℃，反应室压力为40Torr；
步骤3，在高温AlN基板层上，生长100nm的AlYGa1-YN(Y＝0.35)插入层，生长温度为1060℃，反应室压力为40Torr；
步骤4，在AlYGa1-YN(Y＝0.35)插入层上，生长4μm的目标AlXGa1-XN(X＝0.45)层，生长温度为1080℃，反应室压力为40Torr。
实例3，基于碳化硅衬底的AlXGa1-XN(X＝0.7)薄膜材料的生长
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)法，蓝宝石为衬底，氨气作为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下：
步骤1，在碳化硅衬底上，生长10nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为700℃，反应室压力为40Torr；
步骤2，在低温AlN缓冲层上，生长5μm的高温AlN基板层，生长高温温度为1200℃，反应室压力为40Torr；
步骤3，在高温AlN基板层上，生长5nm的AlYGa1-YN(Y＝0.6)插入层，生长温度为1200℃，反应室压力为40Torr。
步骤4，在AlYGa1-YN(Y＝0.6)插入层上，生长100nm的目标AlXGa1-XN(X＝0.7)层，生长温度为1200℃，反应室压力为40Torr。
实验表明，本发明所采用生长方法能有效调控不同Al组份的AlGaN薄膜材料在生长过程中的应力，提高了AlGaN薄膜材料的生长质量。
Claims (9)
1.一种AlGaN薄膜材料，包括：衬底，低温AlN缓冲层，高温AlN基板层，目标AlYGa1-YN层，其特征在于：高温AlN基板层与目标AlYGa1-YN层之间插入有AlXGa1-XN插入层。
2.按照权利要求1所述的AlGaN薄膜，其特征在于目标AlYGa1-YN层的Al组份Y值为：0.1≤Y≤0.8。
3.按照权利要求1所述的AlGaN薄膜，其特征在于AlXGa1-XN插入层的Al组份X值为：0＜X＜Y。
4.一种AlGaN薄膜的生长方法，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上，生长5-20nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为550℃-700℃；
(2)在低温AlN缓冲层上，生长20nm-5μm的高温AlN基板层，生长高温温度为1000℃-1200℃；
(3)在高温AlN基板层上，生长AlXGa1-XN插入层，插入层的Al组份低于目标AlYGa1-YN层的Al组份，插入层生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为5nm-300nm；
(4)在AlXGa1-XN插入层上，生长目标AlYGa1-YN层，生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为100nm-10μm。
5.根据权利要求4所述的AlGaN薄膜的生长方法，其中步骤(3)所述的在高温AlN基板层上，生长AlXGa1-XN插入层，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD法。
6.根据权利要求4所述的AlGaN薄膜的生长方法，其中步骤(4)所述的在AlXGa1-XN插入层上，生长目标AlYGa1-YN薄膜，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD法。
7.一种AlGaN薄膜的生长方法，包括如下步骤：
1)在碳化硅衬底上，生长2-10nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为550℃-700℃；
2)在低温AlN缓冲层上，生长20nm-5μm的高温AlN基板层，生长高温温度为1000℃-1200℃；
3)在高温AlN基板层上，生长AlXGa1-XN插入层，插入层的Al组份低于目标AlYGa1-YN层的Al组份，插入层生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为5nm-300nm；
4)在AlXGa1-XN插入层上，生长目标AlYGa1-YN薄膜，生长温度为900℃-1200℃，生长厚度为100nm-10μm。
8.根据权利要求7所述的AlGaN薄膜的生长方法，其中步骤3)所述的在高温AlN基板层上，生长AlXGa1-XN插入层，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD法。
9.根据权利要求7所述的AlGaN薄膜的生长方法，其中步骤4)所述的在AlXGa1-XN插入层上，生长目标AlYGa1-YN薄膜，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD法。
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