CN101736398A - 一种生长AlInN单晶外延膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用氮气、氢气混合气作为载气生长高质量AlInN单晶外延膜的方法，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，升温至生长温度，同时通入三甲基铟TMIn、三甲基铝TMAl、氨气NH3，氮气N2和适量氢气H2，生长出AlInN单晶外延膜。利用本发明，可以提高AlInN的结晶质量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种生长高质量AlInN单晶外延膜的方法。
背景技术
AlN的带隙宽度为6.2eV，InN的为0.7eV，所以AlInN的带隙宽度具有很大的可调范围。如果作为氮化物半导体光电子器件的有源层，其发光波长可以覆盖从红外到紫外的范围；此外，AlInN的晶格常数同样也有很大的可调范围，使它能够与其他的外延层有很好的晶格匹配，如AlInN/GaN、AlInN/InGaN和AlInN/AlGaN，尤其可以制作与GaN晶格匹配的异质结构，这样可以减少由于晶格失配带来的缺陷或者裂纹。
近来，AlInN/GaN和AlInN/AlGaN异质结构已经成功应用到布拉格反射镜(DBRs)上。在九十年代中期以前，很少人研究AlInN的生长，人们主要尝试用磁控溅射来生长AlInN外延膜，但得到的为多晶的AlInN。九十年代中期以后，对AlInN的研究有了较大的发展，这些研究主要是采用MOCVD外延方法研究AlInN在不同衬底上的生长，所制备的AlInN外延膜结晶质量得到显著提高。
目前采用MOCVD生长AlInN合金主要采用蓝宝石衬底，生长方法主要有(1)直接在蓝宝石衬底上生长；(2)两步法：在蓝宝石衬底上先生长低温AlN缓冲层，然后再生长AlInN；(3)两步法生长出高质量的GaN外延层，然后再生长AlInN；(4)在衬底上先生长高温AlN缓冲层，然后再生长AlInN。目前生长的AlInN晶体质量最好的是采用第三种方法，其中与GaN晶格匹配的AlInN晶体质量最好。
本发明以前采用MOCVD方法外延AlInN以氮气作为载气，以二步法的GaN外延层作为衬底，已经在很大程度上提高了AlInN的晶体质量。但是由于AlN材料的生长要求的温度比较高，同时V/III比不能大，低氨气流量，而InN材料生长则正好相反，要求生长温度低，V/III比大，高氨气流量，所以AlN和InN材料的生长对生长条件的要求正好是III族氮化物材料的两个极端，导致AlInN的生长窗口比较窄；另外，由于AlN和InN的晶格参数、键长及其热稳定性差别等比较大，与InGaN相比，AlInN更容易发生相分离，导致组分的不均匀。
此外，在较低的生长温度下，表面吸附原子的迁移能力比较低，尤其是吸附的Al原子，生长高质量的AlInN单晶外延膜比较困难。由于这些问题的存在，使得AlInN单晶外延膜的结晶质量还不是很高，影响其进一步的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种生长AlInN单晶外延膜的方法，以提高AlInN的结晶质量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种生长AlInN单晶外延膜的方法，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，升温至生长温度，同时通入三甲基铟TMIn、三甲基铝TMAl、氨气NH3，氮气N2和适量氢气H2，生长出AlInN单晶外延膜。
上述方案中，所述衬底为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC和GaAs中任一种或至少两种构成的复合衬底。
上述方案中，所述AlInN外延膜的生长温度为720至860℃，压力为20至160Torr。
上述方案中，在气相中所述三甲基铟TMIn与三甲基铝TMAl的摩尔流量比为1至8。
上述方案中，所述适量氢气H2和氮气N2作为载气，二者的摩尔比为0至0.6。
上述方案中，所述通入三甲基铟TMIn的速率为5～50μmol/min，通入三甲基铝TMAl的速率为5～10μmol/min，通入氨气NH3的速率为3.5～7slm。
上述方案中，该方法在生长出AlInN单晶外延膜后进一步包括：以氮气和适量氢气作为保护气体退火至300℃。
(三)有益效果
本发明提供的这种生长AlInN单晶外延膜的方法，是在生长AlInN时以氮气和适量氢气作为载气，由于氢气可以影响到表面In原子的反应寿命，使得In的反应寿命变短，从而可以有效抑制AlInN中富In区的出现，减小AlInN中的相分离。同时由于氢气能一定程度上减小AlInN中的C、H、O等杂质的浓度和增强表面吸附的Al和In原子的横向迁移能力，因此可以提高AlInN的结晶质量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。
附图说明
图1是本发明生长AlInN单晶外延膜的方法流程图；
图2是本发明生长的高质量AlInN单晶外延膜生长结构示意图；
图3是本发明的高质量AlInN单晶外延膜与以氮气作为载气生长的AlInN外延膜的三晶X射线ω-2θ扫描测试结果的对比；
图4是本发明的高质量AlInN单晶外延膜与以氮气作为载气生长的AlInN外延膜的双晶X射线摇摆曲线半高宽和由卢瑟福背散射得到的最小产额的对比；
图5(a)是以氮气作为载气生长的AlInN外延膜的SEM表面；
图5(b)和图5(c)是本发明的高质量AlInN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。
本发明的关键在于提供一种生长高质量AlInN单晶外延膜的方法。由于AlN和InN的晶格参数、键长及其热稳定性差别等比较大，AlInN很容易发生相分离，导致组分的不均匀。此外，在较低的生长温度下，表面吸附原子的迁移能力比较低，尤其是吸附的Al原子，生长高质量的AlInN单晶外延膜比较困难。本发明为了解决AlInN生长时容易出现相分离和表面迁移能力低的问题，提出了在生长AlInN时以氮气和适量氢气作为载气，由于氢气可以影响到表面In原子的反应寿命，使得In的反应寿命变短，从而可以有效抑制AlInN中富In区的出现，减小AlInN中的相分离。同时由于氢气能一定程度上减小AlInN中的C、H、O等杂质的浓度和增强表面吸附的Al和In原子的横向迁移能力，因此可以提高AlInN的结晶质量，并改善其表面形貌，提高其表面的平整度。
如图1所示，图1是本发明生长AlInN单晶外延膜的方法流程图，包括如下步骤：
步骤1、选择一衬底；
步骤2、将衬底放入金属有机物化学气相沉积系统内，升温至生长温度，同时通入三甲基铟TMIn、三甲基铝TMAl、氨气NH3，氮气N2和适量氢气H2，生长出AlInN单晶外延膜。
步骤1中所述衬底为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC和GaAs中任一种或至少两种构成的复合衬底。
步骤2中所述AlInN外延膜的生长温度为720至860℃，优选800℃，压力为20至160Torr，优选60Torr。
在气相中所述三甲基铟TMIn与三甲基铝TMAl的摩尔流量比为1至8。适量氢气H2和氮气N2作为载气，二者的摩尔比为0至0.6。通入三甲基铟TMIn的速率为5～50μmol/min，通入三甲基铝TMAl的速率为5～10μmol/min，通入氨气NH3的速率为3.5～7slm。
该方法在生长出AlInN单晶外延膜后进一步包括：以氮气和适量氢气作为保护气体退火至300℃。
图2示出了本发明生长的高质量AlInN单晶外延膜生长结构示意图。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至生长温度，同时通入三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、氨气(NH3)，生长温度为800℃，压力为60Torr，其中载气中氢气与氮气的摩尔比分别为0、0.1和0.25，生长厚度为250nm。
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AlInN材料为单晶，与以氮气作为载气生长的AlInN外延膜相比，结晶质量提高且表面更平整，样品(a)、(b)和(c)中载气中氢气和氮气摩尔比分别为0、0.1和0.25，其结构示意图如图2。
图3中为样品(a)、(b)和(c)的(0002)三晶ω-2θ衍射图谱，可以看出，以氮气为载气时，AlInN的衍射峰出现了一个肩膀(图3(a))，而当在载气中加入氢气时，衍射峰没有明显的分裂并且衍射峰的半高宽变小(图3(b)和图3(c))，说明在载气加入氢气能够减弱AlInN中的相分离。从样品的三晶(0002)面的ω扫描半高宽和由RBS/C得到的最小产额可以看出(图4)，在载气中加入氢气后，样品ω扫描半高宽变化不大，但最小产额随着氢气的增加变小，说明了样品晶体质量的提高。由AFM图片(图5)看出，在载气中加入氢气，可以促进AlInN的横向生长，使样品的的形貌由以氮气为载气时的岛状(图5(a))到以氢气和氮气混合载气时的连续的薄膜(图5(b)和图5(c)。这说明本发明可以提高AlInN外延膜的表面平整度并得到高质量的AlInN单晶外延膜。
本发明利用改进的生长方案采用在AlInN生长过程中通过在氮气载气中加入适量氢气解决了AlInN外延生长时容易出现相分离和表面不平整问题，改善了生长工艺，最终得到高质量的AlInN单晶外延膜。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种生长AlInN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，升温至生长温度，同时通入三甲基铟TMIn、三甲基铝TMAl、氨气NH3，氮气N2和适量氢气H2，生长出AlInN单晶外延膜。
2.根据权利要求1所述的生长AlInN单晶外延膜的方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC和GaAs中任一种或至少两种构成的复合衬底。
3.根据权利要求1所述的生长AlInN单晶外延膜的方法，其特征在于，所述AlInN外延膜的生长温度为720至860℃，压力为20至160Torr。
4.根据权利要求1所述的生长AlInN单晶外延膜的方法，其特征在于，在气相中所述三甲基铟TMIn与三甲基铝TMAl的摩尔流量比为1至8。
5.根据权利要求1所述的生长AlInN单晶外延膜的方法，其特征在于，所述适量氢气H2和氮气N2作为载气，二者的摩尔比为0至0.6。
6.根据权利要求1所述的生长AlInN单晶外延膜的方法，其特征在于，所述通入三甲基铟TMIn的速率为5～50μmol/min，通入三甲基铝TMAl的速率为5～10μmol/min，通入氨气NH3的速率为3.5～7slm。
7.根据权利要求l所述的生长AlInN单晶外延膜的方法，其特征在于，该方法在生长出AlInN单晶外延膜后进一步包括：
以氮气和适量氢气作为保护气体退火至300℃。
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| CN103370453A (zh) * | 2011-02-17 | 2013-10-23 | Soitec公司 | 具有减少的凹坑缺陷的iii-v半导体结构及其形成方法 |
| CN113548648A (zh) * | 2020-04-23 | 2021-10-26 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 氮化铝纳米颗粒及其制备方法 |
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