一种ALN缓冲层的生长方法.pdf

本发明提供了一种AlN缓冲层的生长方法，采用金属有机化学气相沉积方法，以氢气作为载气，TMAl和NH3分别作为Al源和N源，控制温度为1050℃-1200℃，压力为100-200torr，V/III为400-800，采用交替通入TMAl和NH3的脉冲方式在蓝宝石衬底上生长50-150个周期的AlN缓冲层，具体每个周期依次通入3-10s TMAl，3-10s载气，3-10s NH3和3-10s载气。这种方法简单易行，生长窗口宽，在此基础上来外延生长AlN或AlxGa1-xN(0≤x＜1)外延层，尤其是高Al组分的AlxGa1-xN外延层，可以有效降低外延层中的位错密度，提高晶体质量。

1.  一种AlN缓冲层的生长方法，采用金属有机化学气相沉积方法，以氢气作为载气，TMAl和NH₃分别作为Al源和N源，控制温度为1050℃-1200℃，压力为100-200torr，V/III为400-800，采用交替通入TMAl和NH₃的脉冲方式在蓝宝石衬底上生长50-150个周期的AlN缓冲层，具体每个周期依次通入3-10s TMAl，3-10s载气，3-10s NH₃和3-10s载气。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
1)将反应室的温度升高到1000℃-1100℃，在氢气气氛中烘烤蓝宝石衬底5-20分钟；
2)升温至1050℃-1200℃，控制压力为100-200torr，V/III为400-800，采用TMAl和NH₃交替通入反应室的脉冲方式生长50-150个周期的高温高压脉冲AlN缓冲层，每个周期依次通入3-10s TMAl，3-10s载气，3-10s NH₃和3-10s载气。

3.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)的温度为1050℃-1100℃。

4.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)和步骤2)之间增加下列步骤：1-2.在1050℃-1200℃的温度下，控制压力在100-200torr，预通入5-30s TMAl进反应室，生长一铝化层。

5.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1-2的温度为1100℃-1200℃，TMAl通入时间为10-20s。

6.  如权利要求2～5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的温度为1100℃-1200℃。

7.  如权利要求2～5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的压力为150-200torr。

8.  如权利要求2～5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的V/III为400-600。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的V/III比通过改变氨气流量或TMAl流量实现。

一种AlN缓冲层的生长方法
技术领域
本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，特别涉及AlN缓冲层的生长方法。
背景技术
III族氮化物材料是重要的宽禁带半导体材料，具有带隙范围宽(0.9eV-6.2eV)、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等特点，这些优良的光、电学性质以及优良的材料化学性能使III族氮化物材料在蓝、绿、紫、紫外光及白光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等半导体器件等领域中有广泛的应用前景。目前，可见光LEDs的制备和封装技术已逐渐趋于成熟，人们把目光转向了短波长紫外或深紫外发光和探测器件的研究和制备。三元合金Al_xGa_1-xN因为其带隙可以从3.42eV到6.2eV之间连续可调，可以广泛应用在短波长深紫外(UV)发光、探测以及白光照明LEDs中。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用的光电探测技术。太阳光盲深紫外探测器可有效探测到那些尾焰或羽焰中释放出大量紫外辐射的飞行目标，这就为导弹、战机的探测提供了一种极其有效的手段。具体可以应用在导弹的紫外制导和紫外告警等方面。在民用方面，紫外探测器可用于火灾及燃烧过程的监视和与生化有关的检测等。发光波长在200-365nm之间的近紫外、紫外、深紫外波段的LEDs在高密度光学数据存储、水和空气净化与杀菌、以及白光照明领域有很大的应用前景。高质量的AlN及高Al组分Al_xGa_1-xN材料是深紫外探测器以及LEDs中的关键材料。AlN因其带隙较宽，被广泛应用于衬底层，而AlGaN是重要的有源区材料。高质量的Al_xGa_1-xN材料是实现深紫外发光和提高深紫外探测器探测性能的关键。
高Al组分的AlGaN材料生长在GaN模板层上会导致较严重的开裂现象，故AlN薄膜被广泛用来作为深紫外LED或探测器的模板层。AlN和高Al组分的Al_xGa_1-xN(0.5≤x＜1)目前已经成为研究的热点。和GaN相比，在蓝宝石衬底上异质外延AlN和Al_xGa_1-xN材料对生长条件的要求更为苛刻。因为Al原子比Ga原子的粘附系数大，Al原子表面迁移较低，横向生长速率慢，导致准二维层状生长模式很难形成，很难得到光滑的表面。这就要求薄膜的生长温度大于1200℃，而对于采用三区加热丝加热的MOCVD设备来说，1200℃为极限生长温度。而且，铝源(三甲基铝(TMAl))和氮源(氨气(NH₃))之间存在强烈的预反应，预反应形成的固体加成物会沉积在样品的生长表面而不能充分分解，导致外延层中杂质掺入，造成外延层的多晶生长。这些原因导致AlN延层的表面粗糙并且存在高达10¹⁰cm^-2的位错密度。
目前，国际国内通用的生长方法为在蓝宝石衬底上低温(温度600-900℃)生长20nm左右的AlN作为缓冲层，然后外延生长AlN或高Al组分Al_xGa_1-xN层。这种方法对缓冲层的生长条件要求较为苛刻，而且，低温AlN缓冲层不同于低温GaN缓冲层，在升温的过程中退火行为不明显，很难使接下来外延层的生长由三维模式变成二维模式，这样所得的外延层的表面比较粗糙，并且存在较高的位错密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AlN缓冲层的生长方法，将该方法生长的AlN缓冲层作为基础来外延生长AlN或Al_xGa_1-xN材料的外延层，可以有效降低外延层中的位错密度。
本发明的技术方案如下：
一种AlN缓冲层的生长方法，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，以高纯氢气(H₂)作为载气，TMAl和NH₃分别作为Al源和N源，控制温度为1050℃-1200℃，压力为100-200torr，V/III为400-800的条件下，采用交替通入TMAl和NH₃的脉冲方式在蓝宝石衬底上生长50-150个周期的AlN缓冲层，具体每个周期依次通入3-10s TMAl，3-10s载气，3-10s NH₃和3-10s载气。
通常，生长过程如下：
1)首先，将反应室的温度升高到1000℃-1100℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中烘烤5-20分钟；
2)升温至1050℃-1200℃，控制压力为100-200torr，V/III为400-800，采用铝源(TMAl)和氮源(NH₃)交替通入反应室的方法生长50-150个周期的高温高压脉冲AlN缓冲层，具体每个周期依次通入3-10s TMAl，3-10s载气，3-10s NH₃和3-10s载气。
上述步骤1)烘烤衬底的温度优选1050℃-1100℃。
为改善生长表面的质量，在上述步骤1)和步骤2)之间增加下列步骤：在1050℃-1200℃的温度下，控制压力在100-200torr，预通入5-30s TMAl进反应室，生长一铝化层。该步骤的生长温度优选1100℃-1200℃，铝源通入时间优选10-20s。
上述步骤2)的生长温度优选1100℃-1200℃，压力优选150-200torr，V/III优选400-600，V/III比可通过改变氨气或TMAl流量实现。
本发明采用高温高压脉冲方法来生长AlN作为缓冲层，在此基础上，来外延生长AlN或Al_xGa_1-xN(0≤x＜1)外延层，尤其是高Al组分的Al_xGa_1-xN外延层，可以有效降低外延层中的位错密度。这种方法简单易行，生长窗口宽。采用常用的X射线衍射(XRD)摇摆曲线半高宽和透射电子显微镜(TEM)方法来表征外延层的晶体质量，结果表明，采用这一特殊的缓冲层方法生长的AlN及Al_xGa_1-xN样品和在蓝宝石上直接高温外延生长的样品相比，位错密度大大下降，晶体质量提高。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备的AlN样品的结构示意图。
图2是本发明实施例1中在AlN缓冲层上生长的AlN外延层的TEM形貌，其中(a)、(b)分别为g＝0002和g＝1120。
图3是本发明实施例2所制备的AlGaN样品的结构示意图。
图4本发明实施2中生长于脉冲AlN缓冲层上的AlGaN样品和在蓝宝石衬底上直接外延的AlGaN样品的XRD(102)面三晶摇摆曲线比较图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：制备AlN样品
制备过程如下，生长得到的样品结构如图1所示。
(1)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用(0001)蓝宝石衬底，将反应室温度升高到1060℃，在氢气氛下加热烘烤衬底15min；
(2)将温度升高到1200℃，控制压力在100-200torr，预通入TMAl进反应室，时间为10s，生长几个原子层厚的铝化层2；
(3)保持温度不变，采用TMAl和NH₃交替通入反应室的方法生长100个周期的脉冲AlN缓冲层3，具体生长条件为：压力150torr，V/III600，每个周期依次通入5s TMAl，3s氢气，5s NH₃，3s氢气；
(4)保持生长温度不变，采用通常的III族源和V族源同时通入反应室的方法连续生长1.2μm的AlN外延层4，生长压力为50torr，V/III为400。
通过测量上述方法制备的AlN外延层中的位错密度的变化可检测这种高温高压脉冲AlN做为缓冲层的作用。具体采用TEM方法表征位错的形貌和位错密度的变化，如图2所示，可以看出，缓冲层和外延层中存在明显的界面，在AlN缓冲层中存在较多的穿透位错，但是大量位错在界面中断、弯曲或湮灭，导致外延层中的位错密度大大下降。
实施例2：制备AlGaN样品
制备过程如下，生长得到的样品结构如图1所示。
(1)使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备，衬底1采用(0001)蓝宝石衬底，将反应室温度升高到1060℃，衬底1在氢气氛下加热烘烤15min；
(2)将温度升高到1200℃，控制压力在100-200torr，预通入TMAl进反应室，时间为10s，生长几个原子层厚的铝化层2；
(3)保持温度不变，采用TMAl和NH₃交替通入反应室的方法生长100个周期的脉冲AlN缓冲层3，具体生长条件为：压力150torr，V/III为600，每个周期依次通入5sTMAl，3s氢气，5s NH₃，3s氢气；
(4)保持生长温度不变，采用标准工艺III族源和V族源同时通入反应室的方法连续生长1.2μm的Al_xGa_1-xN(x＝0.6)外延层5，生长压力为75torr，V/III为1000。
通过测量上述方法制备的AlGaN外延层中的位错密度来判断这种高温高压脉冲AlN做为缓冲层的作用。具体采用通常的三晶XRD衍射测量AlGaN外延层(002)面和(102)面的半宽来表征晶体质量。(002)的半宽反映的是晶体螺型位错的位错密度，(102)的半宽则综合反映了螺型位错和刃型位错的位错密度，而对于III-V族半导体材料来说，晶体中主要的位错为刃型位错，故可以采用XRD(102)面的半宽来表征AlGaN外延层的晶体质量。结果如图4所示，可以看出，在蓝宝石上直接外延的AlGaN(即无脉冲AlN缓冲层)的(102)面的半宽为1300arcsec，而加入这种脉冲AlN缓冲层之后，XRD(102)面的半宽明显下降到860arcsec，表明位错密度大大下降。