[發明專利]高In組分AlInN薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 201310290457.6
• 申請日: 2013-07-11
• 公開（公告）號: CN103346068A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 李維;毛德豐;王維穎;金鵬;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/20
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明屬于半導體氮化物材料生長領域，特別涉及到高In組分的AlInN薄膜的制備方法，主要是采用三種優化的緩沖層結構設計來外延AlInN。

背景技術

三元合金材料AlInN是直接帶隙材料，其帶隙寬度從0.7到6.2eV可調，是氮化物合金中帶隙可調范圍最寬的材料。同時，AlInN晶格常數也有很大的可調范圍，通過調節組分配比，可以得到AlInN/InGaN、AlInN/GaN和AlInN/AlGaN等晶格匹配的異質結構，如果將其作為半導體發光器件中的有源層，其發光波長覆蓋了從紅外到紫外的波譜范圍。因此AlInN材料廣泛用于發光二極管、太陽盲光電探測器、高電子遷移率晶體管等光電子器件中。

盡管AlInN具有巨大的應用前景，但是與AlGaN和InGaN相比，AlInN的生長要困難的多。目前生長AlInN薄膜，主要采用MOCVD和MBE，難以獲得高質量的AlInN薄膜主要有兩方面原因：一是AlN和InN的生長溫度差異較大。如在MOCVD中InN的生長溫度約為600℃，而AlN的生長溫度約為1200℃甚至更高。二是AlN和InN在晶格常數，鍵長等物理性質上差異較大，因此生長的AlInN容易出現組分波動或者相分離。

目前生長AlInN，最常用的方法是先采用兩步法生長出高質量的GaN緩沖層，然后再生長AlInN外延層，這種方法對于生長低In組分的AlInN效果較好。因為AlN、GaN、InN的面內晶格常數分別為3.112、3.189、3.548InN的面內晶格常數與AlN和GaN差別較大。AlInN中，當In組分較低時，AlInN與GaN晶格常數比較接近，特別是當In-18％時，此時AlInN與GaN晶格常數匹配。所以目前報道的AlInN外延薄膜，采用GaN緩沖層，多數情況下，與GaN晶格匹配的AlInN薄膜質量最好。當AlInN中In＞18％時，隨著In組分的升高，AlInN與緩沖層GaN的晶格失配越來越大，導致薄膜質量變差。另一方面，高In組分的AlInN是實現AlInN合金帶隙大范圍可調，以及AlInN/InGaN晶格匹配異質結必不可少的組成部分。所以我們有必要改進生長工藝，優化緩沖層的結構設計，以提高高In組分的AlInN薄膜質量。

發明內容

本發明提供了高In組分AlInN薄膜的制備方法，主要是在傳統GaN緩沖層的基礎上，設計了三種新的緩沖層結構。采用傳統GaN緩沖層生長AlInN時，高In組分AlInN與GaN緩沖層間存在大的晶格失配。新的緩沖層結構設計，可以使應力逐漸的釋放，降低晶格失配的影響，減少生長過程中引入的位錯。

本發明一種高In組分AlInN薄膜的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在襯底上生長低溫GaN形核層；

步驟2：在低溫GaN形核層上生長高溫GaN緩沖層；

步驟3：在高溫GaN緩沖層上生長AlInN連續漸變緩沖層；

步驟4：在連續漸變緩沖層上生長AlInN層。

本發明還提供一種高In組分AlInN薄膜的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在襯底上生長低溫GaN形核層；

步驟2：在低溫GaN形核層上生長高溫GaN緩沖層；

步驟3：在高溫GaN緩沖層上生長AlInN躍變緩沖層；

步驟4：在AlInN躍變緩沖層上生長AlInN層。

本發明又提供一種高In組分AlInN薄膜的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在襯底上生長低溫GaN形核層；

步驟2：在低溫GaN形核層上生長高溫GaN緩沖層；

步驟3：在高溫GaN緩沖層上生長InN/AlN超晶格緩沖層；

步驟4：在超晶格緩沖層上生長AlInN層。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明通過優化緩沖層設計，能夠有效的降低高In組分AlInN與GaN緩沖層大的晶格失配影響，改善AlInN外延薄膜質量。AlInN中，當In組分大于18％時，由于InN的面內晶格常數比GaN、AlN大很多，如果僅僅只采用GaN緩沖層，隨著In組分的增加，AlInN與GaN緩沖層的晶格失配越來越大。大的晶格失配會在薄膜生長過程中產生應力，應力的釋放導致位錯的產生，這樣薄膜質量就很難提高。在GaN緩沖層的基礎上，我們優化了緩沖層結構，AlInN組分漸變緩沖層和AlInN組分躍變緩沖層可以使應力在緩沖層中逐漸釋放，降低晶格失配帶來的影響。而超晶格緩沖層，通過逐漸改變InN/AlN的厚度比，既實現了應力逐步釋放，又可以過濾位錯，提高AlInN薄膜的質量。