CN107768234A - 一种获得高质量AlN模板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获得高质量AlN模板的方法，涉及半导体技术领域。本发明提供的获得高质量AlN模板的方法，利用异质衬底在MOCVD系统中外延生长AlN模板方法基础上，提出了利用PVD方法在异质衬底上沉积AlN薄膜，获得的AlN薄膜/异质衬底结构作为复合衬底外延生长AlN模板，并在氮气氛围下，利用高温热处理提高AlN模板的结晶质量，能够降低AlN材料的位错密度，提升AlN模板的结晶质量，为高性能宽禁带三族氮化物期间的制备以及大规模应用打下良好基础。该方法具有操作流程简单，工艺效果容易实现、AlN晶体质量提高显著等优点，具有广阔的应用前景，对宽禁带三族氮化物半导体器件的制备与大规模应用有重要意义。

Description

一种获得高质量AlN模板的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种在氮气氛围下，利用高温热处理方法获得高质量AlN模板的方法。

背景技术

宽禁带三族氮化物半导体材料在紫外光电子器件中有广阔的应用前景，尤其AlGaN半导体材料，其禁带宽度随着Al组分由0到1变化在3.4eV到6.2eV之间连续可调，相应波段覆盖了200--365nm，涵盖了大部分紫外波段，是制备紫外发光与探测器件的理想材料。

大力发展三族氮化物材料、器件及应用技术是实现我国推进节能减排、转变经济发展模式、实现可持续发展的重要途径之一。目前，基于GaN材料的蓝光二极管(LEDs)已经实现商品化，该类型LEDs照明产品与传统白炽灯相比节能80％以上，与普通节能灯相比节能50％以上。可以说GaN基蓝光LEDs的发展引起了人类文明的变革。2014年诺贝尔物理学奖授予了日本科学家赤崎勇(I.Akasaki)、天野浩(H.Amano)和美籍日裔科学家中村修二(S.Nakamuru)，以表彰他们“发明了高效蓝色发光二极管，为世界带来了明亮而节能的白色光源”。

相比日趋成熟的GaN基光电子器件，同样具有广泛应用领域的紫外及深紫外光电子器件如紫外LED、紫外激光二极管(LDs)、紫外探测器(PDs)等的研制却发展十分缓慢。紫外LED具有其它传统紫外光源所无法比拟的优势，在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、防伪鉴定、高密度信息储存和保密通讯等领域具有重大的应用价值。紫外LDs以其独一无二的时空相干性、高光束质量、高功率密度和快速调制特性，在激光精密加工、高密度存储、纳米光刻、医疗诊断、消毒杀菌、生物化学技术、气敏传感以及材料科学等领域具有十分重要的应用价值。紫外PDs的接收波段覆盖了太阳辐射中280nm以下的深紫外“日盲”区。日盲紫外光探测器正是基于“日盲”特性以及它在地球大气层中因均匀散射而呈现的背景条件，在军事和民事等方面具有广泛的应用。军事上，可用于导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等；民事上，可用于明火探测、生物医药分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦察等。因此，开展紫外光电子器件的研究，不仅是我国国防安全事业的重要战略部署，也是提升我国光电子产业国际竞争力的重要使命。

然而由于高质量AlGaN半导体材料的质量一直难以获得突破性进展(尤指高Al组分AlGaN)，因此难以得到高性能的AlGaN基光电子器件，这严重制约了AlGaN基光电子器件的发展及应用。

高Al组分AlGaN材料质量难以提高的原因有下几点，首先是AlN衬底难以获得，而昂贵的同质GaN衬底由于晶格常数大于AlGaN材料，会使外延层承受张应力产生裂痕，也不适用于高质量的AlGaN材料外延生长；其次异质衬底则会由于外延层与衬底之间的晶格失配与热失配，会导致在外延材料中产生大量位错，使材料质量降低；另外Al原子的粘附系数较高，导致其原子迁移率低，不利于在异质衬底上成核时晶界数量降低以及生长过程中位错的弯曲与湮灭，导致材料结晶质量变差。

为克服异质衬底的高晶格失配以及热失配，AlN/Sapphire模板衬底被广泛用于AlGaN外延材料生长研究当中。因为AlN材料的晶格常数略小于AlGaN材料，可以为AlGaN外延层提供压应力，防止AlGaN材料产生裂痕，并且缓冲了AlGaN外延层与异质衬底之间的晶格失配与热失配，是良好的外延AlGaN材料的模板。因此，获得高质量的AlN模板是获得高质量AlGaN材料的前提和基础，进而是促进AlGaN基光电子器件发展的基础，具有非常重要的意义。

同时，AlN材料本身也是直接带隙宽禁带半导体材料并且具有较强的极化效应，因此制备高质量AlN材料本身也具有重大意义，在光电子以及电力电子器件制备方面有广泛应用潜力。

为改善AlN模板质量，研究者们提出了多种生长方式来提高AlN模板的结晶质量，其中包括利用缓冲层、插入层法、超晶格法、外延侧向过生长法等等。然而上述方法均具有工艺复杂的缺点，而且基于这些方法获得的AlN模板质量离期待水平依然存在差距，而且这些方法获得的AlN模板的方法难以实现大规模的产品化推广。

发明内容

本发明的目的是提供在氮气氛围下，利用高温热处理方法获得高质量AlN模板的方法，该方法能够提高异质衬底上AlN外延层结晶质量，为后续AlGaN外延生长提供高质量的AlN模板。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

一种获得高质量AlN模板的方法，包括以下步骤：

步骤1、在异质衬底上利用物理气相沉积(PVD)方法沉积AlN薄膜，获得AlN薄膜/异质衬底结构的复合衬底；

步骤2、在步骤1得到的复合衬底上，利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)方法外延生长AlN外延层，得到AlN模板；

步骤3、在氮气氛围下，对步骤2制得的AlN模板进行高温热处理，冷却降至室温后即可得到高质量AlN模板。

优选的：步骤1中所述异质衬底为熔点高于1700℃的蓝宝石、碳化硅或图形化衬底。

优选的：步骤1中所述物理气相沉积方法为磁控溅射、射频溅射或电子束蒸发。

优选的：步骤2中所述利用金属有机化合物气相沉积方法外延生长AlN外延层时，所用的金属有机源为三甲基铝或三乙基铝，所用载气为氮气、氢气或者二者的混合气体，所用氮源为氨气。

优选的：步骤2中所述利用金属有机化合物气相沉积方法外延生长AlN外延层的温度为800-1600℃。

优选的：步骤3中所述的高温热处理的温度高于1300℃，高温热处理时间大于0。

本发明的有益效果是：

本发明提供的获得高质量AlN模板的方法，利用异质衬底在MOCVD系统中外延生长AlN模板方法基础上，提出了利用PVD方法在异质衬底上沉积AlN薄膜，获得的AlN薄膜/异质衬底结构作为复合衬底外延生长AlN模板，并在氮气氛围下，利用高温热处理提高AlN模板的结晶质量，能够降低AlN材料的位错密度，提升AlN模板的结晶质量，为高性能宽禁带三族氮化物期间的制备以及大规模应用打下良好基础。该方法具有操作流程简单，工艺效果容易实现、AlN晶体质量提高显著等优点，具有广阔的应用前景，对宽禁带三族氮化物半导体器件的制备与大规模应用有重要意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明提供的获得高质量AlN模板的流程图；

图2为本发明提供的高质量AlN模板结构示意图。

图中的附图标记表示为：

21-异质衬底，22-AlN薄膜，23-AlN外延层。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明提供了一种通过在氮气氛围下，利用高温热处理方法获得高质量AlN模板的方法，该方法的基本原理为利用高温热处理使在异质衬底上外延的AlN材料发生重结晶过程，使晶粒重新排列。在此过程中会使AlN晶粒排列均一性更高，因此使由于晶粒倾斜(tilt)产生的螺位错以及由于晶粒相互扭转(twist)产生的刃位错密度大大降低，从而可以提升材料的结晶质量。该方法具有操作流程简单、重复性高、便于推广、AlN模板结晶质量提高效果显著等优点。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

参见图1：本发明提供的一种获得高质量AlN模板的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在异质衬底上利用磁控溅射、射频溅射或电子束蒸发物理气相沉积(PVD)方法沉积AlN薄膜，获得AlN薄膜/异质衬底结构的复合衬底；所述异质衬底为熔点高于1700℃的蓝宝石、碳化硅或图形化衬底；

步骤2、在步骤1得到的复合衬底上，利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)方法外延生长AlN外延层，外延层厚度大于0，所用的金属有机源为三甲基铝或三乙基铝，所用载气为氮气、氢气或者二者的混合气体，所用氮源为氨气，温度为800-1600℃，得到AlN模板；所用MOCVD设备为常压、低压等各型号MOCVD设备均可；为了减少AlN模板中的位错密度，在利用MOCVD方法外延AlN外延层过程中可以采用一些如插入层法、氨气中断法、缓冲层法等不需要复杂操作的技术手段，以初步获得质量尚可、表面无裂痕的AlN模板；

步骤3、在氮气氛围下，对步骤2制得的AlN模板进行高温热处理，热处理温度高于1300℃，高温热处理时间大于0，冷却降至室温后即可得到高质量AlN模板。所用氮气需持续通入以防止AlN以及蓝宝石等异质衬底在高温下受到损伤，对后续AlGaN或AlN外延生长不利。

实施例1

参照图2，结合具体的实施例对本发明提供的获得高质量AlN模板的方法进行详细说明如下：

选择AlN模板所需的异质衬底21：c面蓝宝石衬底；

在c面蓝宝石衬底上，利用物理气相沉积(PVD)方法沉积一层AlN薄膜22，厚度为150nm；

将上一步得到的AlN薄膜/蓝宝石结构的复合衬底送入MOCVD系统中，进行高温AlN外延层23生长，生长温度为1277℃，MOCVD外延生长AlN厚度约为500nm，外延时为了促进外延层中位错密度的弯折与湮灭，采用了逐步更改V族源与III族源的比例，即V/III比增大Al原子表面迁移率的方法，最终得到AlN模板；

将利用MOCVD系统初步得到的AlN模板置于高温退火设备中，利用的保护性气体高纯氮气，高温热处理温度为1700℃，热处理时间为一小时，在高温热处理过程结束后，即可得到高质量的AlN模板材料。

实施例2

选择AlN模板所需的异质衬底：碳化硅衬底；

在碳化硅衬底上，利用物理气相沉积(PVD)方法沉积一层AlN薄膜，厚度为100nm；

将上一步得到的AlN薄膜/碳化硅结构的复合衬底送入MOCVD系统中，进行高温AlN外延层生长，生长温度为800℃，MOCVD外延生长AlN厚度约为450nm，外延时为了促进外延层中位错密度的弯折与湮灭，采用了逐步更改V族源与III族源的比例，即V/III比增大Al原子表面迁移率的方法，最终得到AlN模板；

将利用MOCVD系统初步得到的AlN模板置于高温退火设备中，利用的保护性气体高纯氮气，高温热处理温度为1300℃，热处理时间为一小时，在高温热处理过程结束后，即可得到高质量的AlN模板材料。

实施例3

选择AlN模板所需的异质衬底：c面蓝宝石衬底；

在c面蓝宝石衬底上，利用物理气相沉积(PVD)方法沉积一层AlN薄膜，厚度为120nm；

将上一步得到的AlN薄膜/蓝宝石结构的复合衬底送入MOCVD系统中，进行高温AlN外延层生长，生长温度为1600℃，MOCVD外延生长AlN厚度约为480nm，外延时为了促进外延层中位错密度的弯折与湮灭，采用了逐步更改V族源与III族源的比例，即V/III比增大Al原子表面迁移率的方法，最终得到AlN模板；

将利用MOCVD系统初步得到的AlN模板置于高温退火设备中，利用的保护性气体高纯氮气，高温热处理温度为1800℃，热处理时间为3小时，在高温热处理过程结束后，即可得到高质量的AlN模板材料。

本发明方法的实施条件不限于上述实施例，对不同参数AlN模板利用不同温度、不同时间进行热处理，其结晶质量都可以得到一定程度的改善。理论上该方法也同样适用于所有熔点较高晶体的质量改善，利用高温促使晶体重结晶从而获得结晶质量更好的晶体材料。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种获得高质量AlN模板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在异质衬底上利用物理气相沉积方法沉积AlN薄膜，获得AlN薄膜/异质衬底结构的复合衬底；

步骤2、在步骤1得到的复合衬底上，利用金属有机化合物气相沉积方法外延生长AlN外延层，得到AlN模板；

步骤3、在氮气氛围下，对步骤2制得的AlN模板进行高温热处理，冷却降至室温后即可得到高质量AlN模板。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述异质衬底为熔点高于1700℃的蓝宝石、碳化硅或图形化衬底。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述物理气相沉积方法为磁控溅射、射频溅射或电子束蒸发。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中所述利用金属有机化合物气相沉积方法外延生长AlN外延层时，所用的金属有机源为三甲基铝或三乙基铝，所用载气为氮气、氢气或者二者的混合气体，所用氮源为氨气。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中所述利用金属有机化合物气相沉积方法外延生长AlN外延层的温度为800-1600℃。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，步骤3中所述的高温热处理的温度高于1300℃，高温热处理时间大于0。