CN102925968B

CN102925968B - 一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法

Info

Publication number: CN102925968B
Application number: CN201210394527.8A
Authority: CN
Inventors: 李忠辉; 彭大青
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN102925968A

Abstract

本发明是一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，其特征是它包括以下步骤：1）单晶衬底在反应室内高温烘烤；2）在单晶衬底上制备Al浸润层；3）在Al浸润层上制备AlN缓冲层；4）在AlN缓冲层上制备超晶格缓冲层；5）在超晶格缓冲层上制备氮化物单晶薄膜；6）降至室温，取出。优点：通过沉积铝浸润层和较厚的AlN缓冲层可以释放部分晶格失配和热失配应力。AlN/GaN超晶格缓冲层的加入会进一步缓冲应力。通过调节AlN/GaN超晶格缓冲层中AlN和GaN的厚度控制氮化物外延单晶薄膜所受的应力（如张应力、压应力、无应力等）类型。超晶缓冲层可以根据需要通过掺杂形成n或p型或高阻等导电类型。结构简单，工艺可控。

Description

一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法

技术领域

本发明涉及的是一种一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，是在单晶衬底上利用超晶格缓冲层调控氮化物单晶薄膜应变的方法。

背景技术

氮化物、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带单晶薄膜材料具有优良的理化性能在微电子和光电子等领域有广泛的应用。由于同质衬底制备和加工难度较大造成价格昂贵，或者同质单晶衬底制备技术还未获得突破不能实用，所以通常宽禁带单晶薄膜的生长均采用异质外延方式制备。在衬底和外延单晶薄膜之间存在着较大的晶格常数和热膨胀系数失配，在外延层中会产生高密度的位错和缺陷以及较高的应力，不但影响外延薄膜的晶体质量、表面形貌的提高，也将会对在其上制备的器件性能产生不利影响。

因为缺少晶格匹配的单晶衬底材料，宽禁带单晶薄膜一般采用多步生长的异质外延方法，通过在衬底上生长缓冲层来降低晶格常数失配，这种方法有效提高了外延层的晶体质量和表面形貌，促进了大失配异质外延技术的发展。另外，衬底和外延单晶薄膜之间存在热膨胀系数造成的应力也是不容忽视的问题。常用在外延层中插入高温或低温层的方法来解决，比如生长GaN单晶薄膜常用高温AlN、高温AlGaN、高温SiN、低温GaN、低温AlN、低温SiN等作为插入层，因为插入层与外延层的生长条件不同，需要中断外延层生长过程，引入的较长时间的温度和气流转换造成生长条件的波动，将影响外延薄膜的质量。为了获得较好的晶体质量和应力释放效果，大多采用引入多个插入层的办法，但每个插入层的温度、厚度等条件都需要仔细优化，增加了控制难度和生长时间，而且插入层数量过多会引起晶体质量和表面质量的恶化。

发明内容

本发明提出的是一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，是在单晶衬底上采用铝浸润层、氮化铝AlN缓冲层和AlN/GaN超晶格缓冲层调控氮化物单晶薄膜应变的方法。

本发明的技术解决方案是：一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，包括以下步骤：

1）将单晶衬底放入反应室，高温烘烤；将单晶衬底放入MOCVD反应室内，升温至1050-1180℃，反应室压力50-100torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）降温至850-1180℃，反应室压力50-200torr，通入三甲基铝，在单晶衬底上生长0.5-3nm厚铝浸润层；

3）通入高纯氨气，在铝浸润层上生长30-300nm厚AlN缓冲层，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护变温至850-1180℃，反应室压力30-200Torr，通入三甲基镓，在氮化铝AlN缓冲层上生长1-5nm厚GaN，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝，在GaN上生长1-5nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，依次生长GaN/AlN超晶格缓冲层，超晶格的总周期数5-30个，厚度50-200nm，关闭三甲基铝；

5）温度1060℃，压力200Torr，通入三甲基镓，在超晶格缓冲层上生长2μm厚GaN单晶薄膜；关闭三甲基镓；

6）氨气保护降至室温，取出。

本发明的优点：通过沉积铝浸润层和较厚的AlN缓冲层可以释放部分晶格失配和热失配应力。AlN/GaN超晶格缓冲层的加入会进一步缓冲应力。通过调节AlN/GaN超晶格缓冲层中AlN和GaN单层的厚度以及超晶格总厚度控制氮化物单晶薄膜所受的应力状态（如张应力、压应力、无应力等）。超晶缓冲层可以根据需要通过掺杂形成n或p型等导电或高阻性质。本方法结构简单，工艺可控。

附图说明

附图1是本发明的原理示意图。

图中的1是单晶衬底、2是氮化铝缓冲层、3是超晶格缓冲层、4是氮化物单晶薄膜。

具体实施方式

实施例1：

1）将蓝宝石单晶衬底放入MOCVD反应室内，升温至1120℃，反应室压力100torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）降温至1100℃，反应室压力100torr，通入三甲基铝生长0.5nm铝浸润层；

3）通入高纯氨气生长30nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护降温至1060℃，压力150Torr，通入三甲基镓生长1nm厚GaN后，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝生长1nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，重复生长GaN/AlN单元5个周期，厚度10nm，关闭三甲基铝；

5）温度1060℃，压力200Torr，生长2μm厚GaN层，关闭三甲基镓；

6）氨气保护降至室温取出。

实施例2：

1）将SOI衬底放入MOCVD反应室内，升温至1050℃，反应室压力80torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）升温至1080℃，反应室压力80torr，通入三甲基铝生长1nm铝浸润层；

3）通入高纯氨气生长90nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护降温至850℃，反应室压力100Torr，通入三甲基镓生长1nm厚GaN，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝生长1nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，重复生长GaN/AlN单元25个周期，厚度50nm，关闭三甲基铝；

5）氨气保护升温至1050℃，压力200Torr，通入硅烷生长3μm厚n型GaN，关闭三甲基镓和硅烷；

6）氨气保护降至室温取出。

实施例3：

1）将单晶Si衬底放入MOCVD反应室内，升温至1080℃，反应室压力50torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）升温至1180℃，反应室压力50torr，通入三甲基铝形成1.5nm铝浸润层；

3）通入高纯氨气生长180nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护，升温至1100℃，反应室压力50Torr，通入三甲基镓生长2nm厚GaN，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝生长3nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，重复生长GaN/AlN单元20个周期，厚度100nm，关闭三甲基铝；

5）氨气保护降温至780℃，压力500torr，通入三甲基镓、三甲基铟生长500nm厚InGaN，关闭三甲基镓、三甲基铟；

6）氨气保护下降至室温取出。

实施例4：

1）将单晶SiC衬底放入MOCVD反应室内，升温至1180℃，反应室压力50torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）降温至980℃，反应室压力150torr，通三甲基铝生成2nm浸润层；

3）通入高纯氨气生长230nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护升温至1180℃，反应室压力100torr，通入三甲基镓生长5nm厚GaN，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝生长5nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，重复生长GaN/AlN单元30个周期，厚度300nm，关闭三甲基铝；

5）降温至1020℃，压力100Torr，通入二茂镁、三甲基镓生长500nm厚的p型GaN，关闭二茂镁、三甲基镓；

6）氨气保护下降至室温取出。

实施例5：

1）选择单晶Si衬底放入MOCVD反应室内，升温至1060℃，反应室压力100torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）降温至850℃，反应室压力200torr，通三甲基铝形成3nm浸润层；

3）通入高纯氨气生长300nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护升温至1050℃，压力30torr，通入三甲基镓生长3nm厚GaN，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝生长3nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，重复生长GaN/AlN单元25个周期，厚度150nm，切换三甲基铝至旁路；

5）氨气保护降温至780℃，氮气作载气，压力300torr，通入三甲基铝、三甲基铟、三甲基镓生长300nm厚的InAlN，关闭三甲基铝、三甲基铟、三甲基镓；

6）氨气保护下降至室温取出。

所述的氮化物单晶薄膜4包括多元III-V族氮化物（如GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、InAlN、InAlGaN等），也可以是碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga₂O₃）等材料系列及其掺杂形式。所述的氮化物单晶薄膜4可以作为外延生长的模板使用，或者作为光电子和微电子等器件的低应力、高晶体质量缓冲层使用。

本发明的单晶衬底1经高温烘烤处理，沉积铝浸润层后制备AlN缓冲层2；制备AlN/GaN超晶格缓冲层3；制备氮化物单晶薄膜4，从而达到减小失配应力，提高晶体质量和表面形貌的目的。本方法可以广泛用于各种晶向和极性衬底上的外延工艺。

本发明是在单晶衬底上预铺铝原子增强外延层与衬底的浸润性，先生长较厚的AlN作为成核层和第一缓冲层，再生长AlN/GaN超晶格作为第二缓冲层，然后外延生长宽禁带单晶薄膜。一般情况下，作为成核层的AlN的厚度较薄（约30nm），本方法中利用较厚的AlN一方面起到成核层的作用，另一方面也可以作为调节应力的第一缓冲层。利用AlN/GaN超晶格的晶格常数和热膨胀系数的交替和调节作用，达到释放应力和降低位错的效果，提高薄膜晶体质量和和改善表面形貌，阻挡杂质扩散等优点。还可根据需要，通过设计AlN/GaN超晶格中AlN、GaN的单层厚度以及超晶格总厚度在较宽的范围内调整氮化物单晶薄膜的应力类型（如张应力、压应力和无应力等）。此外，可以在超晶格中掺杂形成p型、n型等导电或高阻性质，在器件结构中也可以起到导电或电学隔离作用。有报道在SiC单晶衬底上直接生长AlN/GaN超晶格缓冲AlN单晶薄膜应力的方法，该方法没有在衬底上单独生长AlN成核层，而是以AlN/GaN超晶格中的AlN作为成核层，厚度大约1nm，因其厚度较薄很难起到缓冲应力的作用。本发明利用较厚的AlN作为成核层和第一缓冲层释放掉部分应力，再利用超晶格进一步降低单晶薄膜的应力，避免了插入层对外延层中断生长的不利影响，提高氮化物晶体质量和改善表面形貌，具有结构简单，工艺难度小，容易实现等优点。

根据上述方法不但可以生长低应变、低位错密度、高表面质量的氮化物单晶薄膜，还可以在单晶薄膜上面继续生长各种器件结构。

本发明所涉及的制备氮化物单晶薄膜结构和方法可以利用常见的如MOCVD（金属有机物化学汽相沉积）、CVD（化学汽相沉积）、MBE（分子束外延）、PLD（脉冲激光沉积）、UHVCVD（超高真空化学汽相沉积）等薄膜制备技术实现。

Claims

1.一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，其特征是该方法包括以下步骤：

1）将单晶衬底放入反应室，高温烘烤：将单晶衬底放入MOCVD反应室内，升温至1050-1180℃，反应室压力50-100torr，氢气气氛烘烤10分钟；

4）氨气保护变温至850-1180℃，反应室压力30-200Torr，通入三甲基镓，在氮化铝AlN缓冲层上生长1-5nm厚GaN，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝，在GaN上生长1-5nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，依次生长GaN/AlN超晶格缓冲层，超晶格的总周期数5-30个，厚度10-300nm，关闭三甲基铝；

5）温度1060℃，压力200Torr，通入三甲基镓，在GaN/AlN超晶格缓冲层上生长2μm厚GaN单晶薄膜；关闭三甲基镓；

6）氨气保护降至室温，取出；

所述单晶衬底是碳化硅SiC、蓝宝石、硅Si、绝缘体上硅SOI，适用于外延生长氮化物单晶薄膜的衬底材料。