CN103806104A - 一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlGaN连续渐变缓冲层或AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层；步骤4：在连续渐变缓冲层上生长AlGaN薄膜。本发明通过优化缓冲层设计，能够有效降低传统AlN缓冲层带来的高位错影响。减小高Al组分AlGaN与GaN缓冲层的晶格失配影响，改善AlGaN外延薄膜质量。

Description

一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于半导体氮化物材料生长领域，特别涉及一种高Al组分的AlGaN薄膜的制备方法，主要是采用两种优化的缓冲层结构设计来外延AlGaN。

背景技术

三元合金AlGaN随Al组分的变化其禁带宽度在3.4～6.2eV之间连续变化，对应波长范围为200～365nm，覆盖了整个太阳盲区(200～300nm)，不需要昂贵的滤波片，是制作日盲型紫外探测器的理想材料。AlGaN基紫外探测器能有效地探测，跟踪发射大量紫外线的目标，可用于空载，舰载，地面探测预警系统，还可在空间紫外通讯，臭氧层监测等领域应用。AlGaN材料还可以用作InGaN基多量子阱激光器中的光场限制层。基于GaN/AlGaN超晶格的分布反馈Bragg反射器对于实现GaN基垂直腔面发射激光器有着极其重要的作用。此外，由于六方氮化物材料有着很强的自发极化和压电极化效应，在AlGaN/GaN界面上可以形成面电荷密度很高的二维电子气，据此可以制作高电子迁移率晶体管。

尽管AlGaN具有巨大的应用前景，但是优质AlGaN薄膜的生长却十分困难。目前生长AlGaN薄膜，主要采用MOCVD和MBE，难以获得高质量的AlGaN薄膜主要有两方面原因：一是Al原子在生长表面的迁移能力很差，使得样品表面容易出现岛状生长，很难合并成表面平整均匀的薄膜。二是AlN和GaN在晶格常数，键长等物理性质上差异较大，因此生长的AlGaN容易出现组分波动或者相分离。

很多研究小组将AlGaN材料在两步法GaN上生长，这样晶体质量和表面形貌比在蓝宝石上面直接长AlGaN外延层或者在蓝宝石上面采用低温AlN作为缓冲层生长的AlGaN外延材料好很多。但是，室温下AlN与GaN之间有着大约-2.4％的晶格失配，在高温外延生长时热失配更大(因为GaN的热膨胀系数比AlN大)。因此，在GaN上高温外延生长AlGaN材料时，AlGaN受到张应力，这个张应力随着AlGaN层厚度的增加或者是Al组分的增加而迅速增加，并且最终会导致裂纹的产生。而采用AlN作为缓冲层时，由于AlN缓冲层与衬底的晶格失配与热失配会使AlN缓冲层产生裂纹，从而在后续的生长过程中，在AlGaN外延层中形成表面起伏并削减AlN层对位错的阻止作用。且采用AlN作为缓冲层时，高Al组分的AlGaN外延层中会出现Al组分牵引现象(pulling effect)，使AlN缓冲层中的大量位错延伸至AlGaN外延层中。

所以有必要改进生长工艺，优化缓冲层的结构设计，以提升高Al组分AlGaN薄膜的质量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，用于提升高Al组分AlGaN薄膜的质量。本发明设计了两种新的缓冲层结构。采用传统AlN缓冲层生长AlGaN时，AlN缓冲层中的大量位错会延伸至AlGaN外延层中。而采用传统GaN缓冲层生长AlGaN时，AlGaN与GaN缓冲层间存在大的晶格失配。新的缓冲层结构设计，可以减少AlGaN层的位错数量，并使应力逐渐得到释放，降低晶格失配的影响，从而提高AlGaN外延层质量。

根据本发明一方面，其提供了一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlGaN连续渐变缓冲层；

步骤4：在连续渐变缓冲层上生长AlGaN薄膜。

其中，所述衬底的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN。

其中，AlGaN组分连续渐变缓冲层由下到上，Al组分逐渐增大。

其中，AlGaN组分连续渐变缓冲层底端Al组分为0.05～0.2，顶端Al组分小于或等于AlGaN薄膜中的Al组分。

其中AlGaN组分连续渐变缓冲层由下至上生长温度逐渐升高。

其中，所述AlGaN薄膜中Al的组分大于35％。

根据本发明另一方面，其提供了一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层；

步骤4：在超晶格缓冲层上生长AlGaN薄膜。

其中AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层由多组AlGaN/AlN或AlGaN/GaN组成，每组底层为AlN或GaN，高层为AlGaN，且自下而上，每组中AlGaN层的厚度与每组的总厚度之比逐渐增加。

其中AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层中的最下一组中AlGaN层厚度与该组总厚度之比为0.05～0.2，最上一组中AlGaN层厚度与该组总厚度比小于或等于AlGaN薄膜中的Al组分。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过优化缓冲层设计，能够有效降低传统AlN缓冲层带来的高位错影响。减小高Al组分AlGaN与GaN缓冲层的晶格失配影响，改善AlGaN外延薄膜质量。生长高Al组分AlGaN时，由于AlN与GaN的面内晶格常数差异很大，如果仅仅只采用GaN缓冲层，随着Al组分的增加，AlGaN与GaN缓冲层的晶格失配会越来越大。大的晶格失配会在薄膜生长过程中产生应力，应力的释放导致位错的产生，这样薄膜质量就很难提高。而采用AlN缓冲层时，其中存在的大量位错会延伸至AlGaN中，薄膜质量同样很难提高。因此，我们在传统的GaN和AlN缓冲层结构基础上，优化了缓冲层结构，提出了AlGaN组分渐变和超晶格缓冲层结构，既实现了应力逐步释放，又可以过滤位错，从而提高了AlGaN薄膜的质量。

附图说明

图1是本发明第一实施例中高Al组分AlGaN薄膜的制备方法流程图；

图2是本发明第一实施例制备高Al组分AlGaN薄膜的结构示意图；

图3是本发明中包含AlGaN组分连续渐变缓冲层的能带结构图；

图4是本发明第二实施例制备的高Al组分AlGaN薄膜的结构示意图；

图5是本发明中AlGaN/AlN或超晶格缓冲层的结构示意图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明第一实施例中高Al组分AlGaN薄膜的制备方法流程图，图2示出了利用本发明第一实施例制备高Al组分AlGaN薄膜的结构示意图。如图1和2所示，该方法包括：

步骤1：在衬底1上生长低温GaN形核层2，所述衬底1的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN，所述低温GaN形核层2的厚度为20-30nm，优选为25nm，低温形核层的作用主要是为了初步释放衬底和缓冲层之间因晶格失配而产生的应力；

步骤2：在低温GaN形核层2上生长高温GaN缓冲层3，该高温GaN缓冲层3的厚度为1-3μm，优选为2μm，生长高温GaN缓冲层主要是为了得到平整的薄膜表面，为后续缓冲层的生长做准备。

步骤3：在高温GaN缓冲层3上生长AlGaN组分连续渐变缓冲层14，AlGaN组分连续渐变缓冲层14由下到上，Al组分逐渐增大，其底端Al组分为0.05～0.2，优选为0.1，顶端Al组分小于或等于AlGaN层5中的Al组分。渐变缓冲层底端Al组分优选为0.1，此设计主要是考虑到Al0.1Ga0.99N与GaN晶格匹配较好，这样缓冲层由GaN过渡到AlGaN，产生的应力较小。另外，AlGaN组分连续渐变缓冲层14由下到上，生长温度逐渐升高，提高生长温度主要是考虑到GaN和AlN生长温度的差异。当Al组分增加时，高生长温度有利于AlGaN中Al的并入和吸收。

步骤4：在AlGaN组分连续渐变缓冲层14上生长AlGaN层5，其中AlGaN层5中Al的组分大于35％。

图3示出了本发明中包含AlGaN组分连续渐变缓冲层的能带结构图。如图3所示，随Al组分增加，AlGaN组分连续渐变缓冲层的禁带宽度逐渐增加，并最终与目标材料AlGaN薄膜相一致。

图4示出了利用本发明第二实施例制备的高Al组分AlGaN薄膜的结构示意图。如图4所示，第二实施例中高Al组分AlGaN薄膜的制备方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底1上生长低温GaN形核层2，所述衬底1的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN，所述低温GaN形核层2的厚度为20-30nm；

步骤2：在低温GaN形核层2上生长高温GaN缓冲层3，该高温GaN缓冲层3的厚度为1-3μm，优选为2μm；

步骤3：在高温GaN缓冲层3上生长AlGaN/AlN超晶格缓冲层24。所述AlGaN/AlN超晶格缓冲层还可以是AlGaN/GaN。

图5示出了所述AlGaN/AlN或超晶格缓冲层的结构示意图。如图5所示，所述AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层24由多组AlGaN/AlN或AlGaN/GaN(241，242，……，24i，……，24m)组成，每组包括AlN(GaN)和AlGaN两层，且每组中底层为AlN或GaN，高层为AlGaN。自下而上，每组中AlGaN层厚度d24i-AlGaN与该组总厚度d24i的厚度比d24i-AlGaN/d24i是逐渐增加的。优选地，AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层24中的最下一组中AlGaN层厚度d241-AlN(GaN)与该组厚度d241的厚度比d241-AlN(GaN)/d241为0.05～0.2，优选为0.1，此设计与渐变缓冲层设计类似，主要是使缓冲层由GaN过渡到AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层时，产生的应力较小。AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层24中的最上一组中AlGaN层厚度d24m-AlGaN与该组总厚度d24m的厚度比d24m-AlGaN/d24m小于或等于AlGaN层5中的Al组分。

步骤4：在AlGaN/AlN超晶格缓冲层24上生长AlGaN层5，其中AlGaN层5中Al的组分大于35％。

本发明通过优化缓冲层设计，能够有效降低传统AlN缓冲层带来的高位错影响。减小高Al组分AlGaN与GaN缓冲层的晶格失配影响，改善AlGaN外延薄膜质量。生长高Al组分AlGaN时，由于AlN与GaN的面内晶格常数差异很大，如果仅仅只采用GaN缓冲层，随着Al组分的增加，AlGaN与GaN缓冲层的晶格失配会越来越大。大的晶格失配会在薄膜生长过程中产生应力，应力的释放导致位错的产生，这样薄膜质量就很难提高。而采用AlN缓冲层时，其中存在的大量位错会延伸至AlGaN中，薄膜质量同样很难提高。因此，本发明在传统的GaN和AlN缓冲层结构基础上，优化了缓冲层结构，提出了AlGaN组分渐变和超晶格缓冲层结构，既实现了应力逐步释放，又可以过滤位错，从而提高了AlGaN薄膜的质量。

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，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 (10)

1.一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlGaN连续渐变缓冲层；

步骤4：在连续渐变缓冲层上生长AlGaN薄膜。

2.根据权利要求1所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中所述衬底的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN。

3.根据权利要求1所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中AlGaN组分连续渐变缓冲层由下到上，Al组分逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中，AlGaN组分连续渐变缓冲层底端Al组分为0.05～0.2，顶端Al组分小于或等于AlGaN薄膜中的Al组分。

5.根据权利要求1所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中AlGaN组分连续渐变缓冲层由下至上生长温度逐渐升高。

6.根据权利要求1所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中，所述AlGaN薄膜中Al的组分大于35％。

7.一种高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层；

步骤4：在超晶格缓冲层上生长AlGaN薄膜。

8.根据权利要求7所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层由多组AlGaN/AlN或AlGaN/GaN组成，每组底层为AlN或GaN，高层为AlGaN，且自下而上，每组中AlGaN层的厚度与每组的总厚度之比逐渐增加。

9.根据权利要求7所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中AlGaN/AlN或AlGaN/GaN超晶格缓冲层中的最下一组中AlGaN层厚度与该组总厚度之比为0.05～0.2，最上一组中AlGaN层厚度与该组总厚度比小于或等于AlGaN薄膜中的Al组分。

10.根据权利要求9所述的高Al组分AlGaN薄膜的制备方法，其中所述AlGaN薄膜中Al的组分大于35％。

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