[發明專利]一種高晶體質量AlN外延層的生長方法

有效

• 申請號: 201410542542.1
• 申請日: 2014-10-14
• 公開（公告）號: CN104319234A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 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
• 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

技術領域

本發明涉及外延層生長技術領域，尤其涉及一種基于大傾角藍寶石襯底上生長高晶體質量ALN外延層的方法。

背景技術

近年來，在醫療、殺菌、印刷，數據存儲、探測以及保密通訊等方面應用巨大需求的推動下，以高Al組分AlGaN(Al組分大于0.4，簡稱高Al-AlGaN)為核心的深紫外(DUV)發光器件和探測器件日漸引起人們的重視。而要研制高性能DUV發光器件和探測器，AlN襯底以及高晶體質量AlN模板是實現上述器件的關鍵基礎之一，因此二者的制備方法顯得極為重要。由于目前商業化的AlN單晶襯底價格昂貴、難以獲得，因而選擇在紫外透光率很高的藍寶石襯底上采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)制備高晶體質量AlN模板就成為國際上的主流路線。然而，上述制備過程中存在較大的晶格失配，導致AlN中產生大量的貫穿位錯TD(10⁹-10¹⁰cm^-2)，嚴重影響AlGaN基光電器件的性能，因而發展低位錯密度AlN模板制備方法極為重要。

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五個階段：

(1)烘烤階段：氫氣環境下，在高溫(如1100℃)下烘烤襯底約10分鐘；

(2)襯底預處理階段：降溫(如950℃)，Al化襯底；

(3)成核階段：調整成核層生長溫度(如940℃)，并以三甲基鋁和氨氣為源生長AlN成核層；

(4)升溫階段：將溫度升高(如1100-1300℃)；

(5)外延生長階段：通入三甲基鋁和氨氣生長AlN外延層，厚度為1-3微米。

由于襯底技術的限制和AlN本身的物理、化學特性，加上目前商用的MOCVD生長溫度不夠高(一般不超過1200℃)。無法完全剪裁AlN的生長行為，使得在高晶體質量GaN外延生長行之有效的“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。此外，由于(0001)面藍寶石上AlN生長過程中所受的雙軸應力，在纖鋅礦結構氮化物的主要的位錯滑移系統{0001}<11-20>、{1-100}<11-20>、{1-100}<0001>、{11-20}<0001>、{11-20}<1-100>的有效剪切應力因子為零。故而通過應力工程實現位錯滑移，創造位錯相遇進而湮滅、反應的途徑也十分低效。基于上述的限制，必須開發能有效減少貫穿位錯(包括螺型位錯和刃型位錯)的AlN外延生長框架。

因此，針對以上不足，本發明提供了一種生長低位錯密度和表面平整的高晶體質量AlN外延層的方法。

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傳統方法MOCVD制備的高晶體質量AlN外延層位錯密度大、表面不平整的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種高晶體質量AlN外延層的生長方法，采用大傾角藍寶石襯底，包括以下步驟：

S1：烘烤襯底；

S2：低溫沉積AlN成核層；

S3：升溫退火；

S4：AlN高溫外延生長，利用臺階聚效應導致的宏臺階降低位錯密度；

S5：AlN表面形貌控制，提高生長速度修正表面形貌，促進所述宏臺階的減弱和消失，以獲得表面平整的AlN表面。

優選地，在所述步驟S1與所述步驟S2之間執行下述步驟：

S20，氮化襯底。

優選地，所述步驟S20的氮化過程溫度為900-1000℃，反應室壓力為50-100mbar，氮化時間為5-20s。

優選地，所述步驟S4外延生長溫度為1000-1200℃，氨氣和金屬有機源的摩爾流量比小于400，生長壓力為50-100mbar。

優選地，所述大傾角藍寶石襯底的傾角為1°-4°。

優選地，在所述步驟S1之前執行步驟S0實現所述氮化時間與所述傾角相匹配；實現所述氮化時間與步驟S2中形成的AlN成核層厚度相匹配。

優選地，所述厚度為7-15nm。

優選地，所述步驟S4中的AlN的生長速度為0.5-0.7μm/h，所述步驟S5中的AlN的生長速度為不小于1μm/h。