專利名稱：在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，尤其是涉及一種在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法。
背景技術(shù)：
銦鎵鋁氮(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y(tǒng)＜＝1)是制備短波長發(fā)光器件的優(yōu)選材料體系。近年來已經(jīng)用銦鎵鋁氮材料制造出許多新穎的發(fā)光器件，如藍色、綠色、白色發(fā)光二極管，紫色半導(dǎo)體激光器等等。同時銦鎵鋁氮材料也是制備許多高性能電子器件的良好材料。現(xiàn)有技術(shù)中，在藍寶石襯底和碳化硅襯底上制備銦鎵鋁氮材料的方法已經(jīng)較為成熟。根據(jù)這些公開的技術(shù)，已經(jīng)可以制備出高質(zhì)量的銦鎵鋁氮材料。但是，碳化硅襯底非常昂貴，用于生長銦鎵鋁氮材料將使成本很高。而藍寶石襯底也比較貴，而且它是絕緣體且加工困難，不能制成具有上下電極的芯片結(jié)構(gòu)，這樣就導(dǎo)致器件制造工藝復(fù)雜，成本增加。硅是一種最成熟的半導(dǎo)體材料，它不僅價格便宜，而且容易控制其導(dǎo)電類型和電阻率，其加工工藝也很成熟，如果用于生長銦鎵鋁氮將可以大大節(jié)約成本。然而由于硅襯底與銦鎵鋁氮材料之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配很大，在硅襯底上生長的銦鎵鋁氮材料一般含有很高的位錯密度。銦鎵鋁氮材料中的位錯可以起到非輻射復(fù)合中心的作用，因此使用高位錯密度的銦鎵鋁氮材料制造的器件發(fā)光效率不高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法，該方法可以有效降低硅襯底上生長的銦鎵鋁氮材料的位錯密度，提高晶體質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y(tǒng)＜＝1)的方法之一，包含以下步驟(1)、在硅襯底上形成一層鎂掩模層；(2)、在所述的鎂掩模層上形成一層金屬過渡層，該金屬過渡層由鋁層、鈦層或鋁鈦合金層形成；(3)、在所述金屬過渡層上形成銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；其中所述的鎂掩模層只覆蓋部分硅襯底表面，覆蓋部分占總面積的10％-90％。
在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y(tǒng)＜＝1)的方法之二，包含以下步驟
(1)、在硅襯底上形成一層金屬過渡層，該金屬過渡層由鋁層、鈦層或鋁鈦合金層形成；(2)、在所述的金屬過渡層上形成一層鎂掩模層；(3)、在所述的鎂掩模層上形成銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；其中所述的鎂掩模層只覆蓋部分金屬過渡層表面，覆蓋部分占總面積的10％-90％。
在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜(InxGayAl1-x-yN，0＜＝x＜＝1，0＜＝y(tǒng)＜＝1)的方法之三，包含以下步驟(1)、在硅襯底上形成一層金屬過渡層，該金屬過渡層由鋁層、鈦層或鋁鈦合金層形成；(2)、在所述的金屬過渡層上形成第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；(3)、在所述的銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層上形成一層鎂掩模層；(4)、在所述的鎂掩模層上形成第二銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；其中所述的鎂掩模層只覆蓋部分第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層表面，覆蓋部分占總面積的10％-90％。
所述的第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層厚度介于1個單元子層到3微米之間。
本發(fā)明的目的是通過使用金屬鎂進行在線掩膜來實現(xiàn)的。由于在鎂掩模層上難以進行銦鎵鋁氮材料生長，因此它可以用作銦鎵鋁氮生長的掩膜。在本發(fā)明的第一種方案中，在硅襯底上沉積一層鎂掩膜層，該掩膜層只覆蓋部分襯底表面，為了避免暴露的區(qū)域被氮化形成氮化硅，沉積鎂層之后再在暴露的襯底表面上沉積一層金屬鋁，這樣襯底表面部分被鎂覆蓋，其余部分則被鋁覆蓋。然后進行銦鎵鋁氮材料生長，此時在鋁層上銦鎵鋁氮開始生長，而鎂層上則難以生長。但銦鎵鋁氮材料生長到一定厚度，并超過掩膜層后，便開始進行橫向生長。由于橫向生長的銦鎵鋁氮材料位錯密度很低，這樣長成的薄膜的總位錯密度就被降低。在本發(fā)明的第二種方案中，首先在硅襯底上覆蓋一層鋁過渡層，然后在鋁層上用鎂進行區(qū)域掩膜。這樣在暴露的鋁層上開始銦鎵鋁氮材料生長，到一定厚度并超過掩膜層后，開始進行橫向生長，最終橫向連接形成完整的薄膜向上生長。同樣由于橫向生長的銦鎵鋁氮材料位錯密度很低，薄膜的總位錯密度被降低。在本發(fā)明的第三種方案中，首先在硅襯底上覆蓋一層鋁過渡層，然后生長一層第一銦鎵鋁氮層，該層中含有大量位錯。然后用鎂進行在線區(qū)域掩膜。掩膜后進行第二銦鎵鋁氮層生長，這樣鎂掩膜的區(qū)域位錯被阻擋而難以向上延伸。暴露的區(qū)域可以繼續(xù)生長銦鎵鋁氮，到一定厚度并超過掩膜層后，開始進行橫向生長，最終重新連接形成完整的薄膜后向上生長。同樣，由于橫向生長的銦鎵鋁氮材料位錯密度很低，第二銦鎵鋁氮層的總位錯密度被降低。在以上的方案中鋁層還可以換成鈦層或鋁鈦合金層。
因此本發(fā)明具有可以有效降低硅襯底上生長的銦鎵鋁氮材料的位錯密度、提高晶體質(zhì)量的優(yōu)點。
圖1是本發(fā)明實施例1在硅襯底上生長銦鎵鋁氮材料的疊層結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例2在硅襯底上生長銦鎵鋁氮材料的疊層結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖3是本發(fā)明實施例3在硅襯底上生長銦鎵鋁氮材料的疊層結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖中1為硅襯底，2為金屬過渡層，3為鎂掩膜層，4為銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層，5為第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層，6為第二銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層。
具體實施例方式下面用3個實施例對本發(fā)明的方法進行進一步的說明。
實施例1把一個硅(111)襯底1清洗干凈，放入一金屬有機化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室，首先在高溫下用氫氣對襯底1表面進行5分鐘熱處理，然后降低溫度到720℃下，通入二茂鎂沉積0.5個單原子層的金屬鎂掩膜層3。接著同樣在720℃下依次沉積一金屬鋁薄層和一氮化鋁緩沖層即金屬過渡層2，最后升高溫度到1050℃沉積3微米氮化鎵層即銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層4。
實施例2把一個硅(111)襯底1清洗干凈，放入一金屬有機化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室，首先在高溫下用氫氣對襯底1表面進行5分鐘熱處理，然后降低溫度到900℃下沉積一金屬鈦薄層即金屬過渡層2。接著在880℃下在鈦層上沉積1個單原子層的金屬鎂掩膜層3。仍保持在880℃，沉積一氮化鋁緩沖層，最后升高溫度到1030℃沉積3微米氮化鎵層即銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層4。
實施例3把一個硅(111)襯底1清洗干凈，放入一金屬有機化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室，首先在高溫下用氫氣對襯底1表面進行5分鐘熱處理，然后降低溫度到800℃下沉積一鋁鈦合金薄層即金屬過渡層2。保持800℃在鋁層上沉積一氮化鋁緩沖層，然后升高溫度到1030℃在氮化鋁層上沉積0.5微米的第一氮化鎵層即第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層5。接著在同樣溫度下在第一氮化鎵層上沉積2個單原子層的鎂掩膜層3。然后依次再沉積2微米厚的摻硅氮化鎵層、5個周期銦鎵氮/氮化鎵多量子阱和0.1微米厚的摻鎂氮化鎵層即第二銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層4。
權(quán)利要求
1.一種在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法，其特征在于(1)、在硅襯底上形成一層鎂掩模層；(2)、在所述的鎂掩模層上形成一層金屬過渡層，該金屬過渡層由鋁層、鈦層或鋁鈦合金層形成；(3)、在所述金屬過渡層上形成銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；其中所述的鎂掩模層只覆蓋部分硅襯底表面，覆蓋部分占總面積的10％-90％。
2.在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法，其特征在于(1)、在硅襯底上形成一層金屬過渡層，該金屬過渡層由鋁層、鈦層或鋁鈦合金層形成；(2)、在所述的金屬過渡層上形成一層鎂掩模層；(3)、在所述的鎂掩模層上形成銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；其中所述的鎂掩模層只覆蓋部分金屬過渡層表面，覆蓋部分占總面積的10％-90％。
3.在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法，其特征在于(1)、在硅襯底上形成一層金屬過渡層，該金屬過渡層由鋁層、鈦層或鋁鈦合金層形成；(2)、在所述的金屬過渡層上形成第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；(3)、在所述的銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層上形成一層鎂掩模層；(4)、在所述的鎂掩模層上形成第二銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；其中所述的鎂掩模層只覆蓋部分第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層表面，覆蓋部分占總面積的10％-90％。
4.如權(quán)利要求3所述的在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法，其特征在于所述的第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層厚度介于1個單元子層到3微米之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在硅襯底上制備銦鎵鋁氮薄膜的方法，它通過引入金屬鎂進行在線區(qū)域掩膜，即先在硅襯底上形成一層鎂掩模層或金屬過渡層，然后再形成一層金屬過渡層或鎂掩模層，最后形成一層銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層；先在硅襯底上形成一層金屬過渡層，然后再分別依次向上形成一層第一銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層、鎂掩模層和第二銦鎵鋁氮半導(dǎo)體層。本發(fā)明可以減少硅襯底上生長的銦鎵鋁氮材料的位錯密度，提高晶體質(zhì)量。
文檔編號H01S5/00GK1770484SQ200510030319
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者江風(fēng)益, 王立, 方文卿 申請人:南昌大學(xué)