[發明專利]提高鋁摻入效率獲得高鋁組分鋁鎵氮合金的生長方法

無效

• 申請號: 201010101550.4
• 申請日: 2010-01-26
• 公開（公告）號: CN101777488A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發明（設計）人: 劉斌;張榮;謝自力;李亮;修向前;華雪梅;趙紅;陳鵬;陳敦軍;陸海;韓平;鄭有炓
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;H01L31/09
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 黃明哲

技術領域

本發明涉及一種金屬有機物化學汽相外延MOCVD的生長技術，特別是涉及應用于太陽盲區紫外探測光電子器件的高Al組分鋁鎵氮合金薄膜的制備方法，具體為一種提高鋁摻入效率獲得高鋁組分鋁鎵氮合金的生長方法。

背景技術

當太陽發射的紫外線經過大氣層向地球輻射時，太陽光經過大氣特別是臭氧層吸收衰減后，在地面和近地大氣中存在著太陽輻射的光譜盲區，太陽輻射的紫外線被大氣吸收的譜區，稱為太陽盲區(大氣層吸收200～300nm紫外光)。由于太陽盲區的存在及大氣層中因均勻散射而呈現的背景條件，研制紫外探測器在軍事及民用領域有著重要的意義。寬帶隙半導體AlGaN合金材料，帶隙寬度(Eg)從3.4eV至6.2eV，對應波長范圍為200～365nm，覆蓋了整個太陽盲區，在光電子器件領域有著重要的應用價值。鋁鎵氮材料優越的物理化學穩定性使其可以在苛刻的條件下工作，因此在航天航空、導彈探測、火災監測等方面有廣泛的應用前景。隨著應用范圍不斷向更深紫外波段(＜300nm)延伸，就要求獲得高Al組分(x＞0.4)的Al_xGa_1-xN薄膜材料。

生長高質量高Al組分Al_xGa_1-xN薄膜材料存在很大的困難，主要是由于Al原子相對于Ga具有更大的粘滯系數，擴散長度小，難于形成二維生長模式；Al原子與NH₃寄生反應嚴重，難于得到高Al組分的AlGaN材料。研究發現，直接在α-Al₂O₃襯底上外延AlGaN薄膜，AlGaN的晶體質量隨著Al組分升高逐漸退化，參見S.Kamiyama，M.Iwaya?et?al.J.Crystal?Growth?223(2001)83。采用MOCVD外延的AlGaN薄膜的位錯密度一般都在10¹⁰cm^-2或以上。在厚GaN支撐層上生長鋁鎵氮薄膜，可大幅提高鋁鎵氮薄膜的結晶質量，但直接生長在GaN上的AlGaN承受張應力，表面會產生裂紋，研究者分別采用AlN插入層，周期性低溫AlGaN插入層，或者AlN/GaN超晶格結構來緩解薄膜中的張應力，獲得高質量表面無裂紋(crack-free)的鋁鎵氮薄膜。另一條技術路線是在α-Al₂O₃襯底上外延生長AlN緩沖層，由于AlN的晶格常數小于鋁鎵氮的晶格常數，在生長鋁鎵氮層時會受到AlN層施加的壓應力，因此隨后生長的鋁鎵氮薄膜表面不會開裂。另外，在生長過程中，TMAl和NH₃之間寄生反應生產固體化合物，大幅降低鋁鎵氮的生長速率和Al的摻入效率，現有的解決方法有：中國專利申請200810124207.4報道的采用單獨TMAl管路，以及III族源和NH₃獨立進氣，以及降低反應腔壓強提高載氣流速[S.Kim，J.Seo?et?al.J.Crystal?Growth?245(2002)247]等一系列措施來緩解該類寄生反應。

盡管目前對如何制備高晶體質量高Al組分Al_xGa^1-xN薄膜已有各種研究，但目前Al_xGa_1-xN薄膜中Al組分范圍多為0≤x≤0.5，相比高Al組分Al_xGa_1-xN薄膜材料所要求的x＞0.4的范圍，Al組分仍有待提高。

另外，雖然我們希望獲得高Al組分的Al_xGa_1-xN薄膜，但是由于AlGaN的晶體質量隨著Al組分升高逐漸退化，也就是隨著Al組分的提高，Al_xGa_1-xN薄膜的材料質量會有所下降。因此，在高Al組分(x＞0.4)的Al_xGa_1-xN薄膜材料的制備中，確定一個合適的Al組分數值也是一個有待解決的問題。

發明內容

本發明要解決的問題是：生長高質量高Al組分Al_xGa_1-xN薄膜材料存在很大的困難，需要提供一種便捷高效的方法，生長高Al組分Al_xGa_1-xN薄膜材料，并在高Al組分及Al_xGa_1-xN薄膜材料的質量兩者間取得平衡。