[發明專利]一種AlN外延薄膜生長方法在審

申請號：	201410542286.6	申請日：	2014-10-14
公開（公告）號：	CN104392909A	公開（公告）日：	2015-03-04
發明（設計）人：	許福軍;沈波;秦志新;王嘉銘;張立勝;何晨光;楊志堅	申請（專利權）人：	北京大學
主分類號：	H01L21/205	分類號：	H01L21/205;H01L21/02
代理公司：	北京路浩知識產權代理有限公司 11002	代理人：	薛晨光
地址：	100871***	國省代碼：	北京;11
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種 aln 外延薄膜生長方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，更具體涉及一種AlN外延薄膜生長方法。

背景技術

高質量AlN單晶是制備高Al組分AlGaN(高Al-AlGaN)基高性能深紫外發光和探測器件的基礎和關鍵。由于目前商業化的AlN自支撐單晶襯底的襯底價格昂貴、難以獲得而且尺寸較小，國際上普遍的選擇是在紫外光透過性高的(0001)面藍寶石襯底上進行金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)異質外延AlN模板。以目前主流的深紫外發光二極管(DUV-LED)材料結構為例，其主要包括藍寶石襯底、AlN模板、n型高Al-AlGaN導電層、高Al-AlGaN基量子阱結構有源層、以及高Al-AlGaN?p型層。量子阱中的位錯密度決定于高Al-AlGaN的質量，而高Al-AlGaN中的位錯密度又決定于AlN模板的晶體質量。因此高質量的AlN模板是降低AlGaN基DUV-LED結構中位錯密度和提高器件性能的關鍵和基礎。AlN模板必須滿足以下幾點要求：(1)無裂紋；(2)表面達到原子級別的平整，為后續高質量高Al-AlGaN的制備提供可能；(3)能有效控制貫穿位錯密度，使低缺陷密度高Al-AlGaN基量子結構的獲得成為可能。

現有技術中，在(0001)面藍寶石襯底上采用MOCVD生長AlN模板的工藝過程一般分為以下幾個階段：(1)烘烤階段：氫氣(H2)氛圍下，在1050-1150℃高溫烘烤襯底5-10分鐘；(2)襯底預處理階段：降溫(例如降溫至950℃)，Al化襯底；(3)成核階段：調整溫度(如900-1000℃)并以三甲基鋁和氨氣為源生長AlN形成成核層(厚度為5-50納米)；(4)升溫階段：將溫度升至高溫(1200-1400℃)(5)外延生長階段：通入三甲基鋁和氨氣,以每小時約0.5微米的生長速度生長AlN外延層。

在AlN的異質外延中，一方面由于較大的晶格失配，外延層中積累的應變能一般會通過在襯底和外延層界面處產生位錯進行弛豫，因此導致了外延層中大量的失配和貫穿位錯；另一方面由于熱失配的存在，在升溫或冷卻過程中，由于襯底和外延層晶格形變的不匹配，會導致外延層的開裂。此外，相比于GaN的外延生長，由于AlN鍵能更高(AlN為2.88eV，GaN為2.2eV)導致Al原子表面粘附系數高(原子擴散勢壘很高)，使得AlN傾向于三維島狀生長，表面平整控制困難；另一方面，AlN的高鍵能，很難完全剪裁AlN的生長行為，使得在高質量GaN外延生長中行之有效的“兩步法”中減少位錯的“多面控制模式”(如圖1所示)難以在AlN的制備中有效實現，無法利用多個生長面對位錯的鏡像力作用來實現貫穿位錯的彎折效應(bending)，進而實現位錯湮滅、反應，不再向上延伸的物理過程?；谏鲜龅南拗疲仨氶_發新的、能有效減少貫穿位錯TD(包括螺型和刃型位錯)的AlNMOCVD外延生長方法，同時保證AlN層的表面平整，沒有裂紋的存在。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是如何在保證AlN外延薄膜平整、沒有裂紋的情況下，減少貫穿位錯。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種AlN外延薄膜生長方法，所述方法包括以下步驟：

S1、襯底烘烤；

S2、低溫沉積AlN，形成成核層；

S3、升溫退火；

S4、以盡量高(具體的值取決于MOCVD的硬件)的氨氣和金屬有機源的摩爾流量比(V/III比)生長AlN；

S5、以盡量低的V/III比(具體的值取決于MOCVD的硬件)生長AlN；

S6、依次、多次重復執行步驟S4、S5。

優選地，所述步驟S4中生長AlN為三維島狀生長，所述步驟S5中生長AlN為二維層狀生長。