專利名稱：一種利用AlInN自圖形化模板提高a面AlN質量的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電子技術領域，涉及半導體器件，是一種新型AlN材料的制作方法，可用于通信領域，紅外、紫外探測領域及白光照明領域。
背景技術：
近十年來，以氮化鎵(GaN)為代表的III族氮化物半導體材料與器件發(fā)展迅猛，被稱為繼以硅為代表的第一代半導體、以砷化鎵為代表的第二代半導體后的第三代半導體。GaN作為直接帶隙的寬禁帶半導體材料，可與氮化銦(InN)，氮化鋁(AlN)形成禁帶寬度連續(xù)可變的三元或四元固溶體合金銦鎵氮(InGaN)、鋁鎵氮(AlGaN)和鋁銦鎵氮(AlInGaN),其對應的波長覆蓋了從紅外到深紫外光范圍，在光電子領域具有極大的應用前景。目前，通過GaN及其固溶體合金材料，已經(jīng)制作了覆蓋紫外到白光發(fā)光二極管、半導體激光器、高頻高功率的高電子遷移率晶體管等各類器件，廣泛應用于通信、紫外探測、紅外探測、白光照明等領域。III族氮化物材料在常溫下具有穩(wěn)定的纖鋅礦結構，不具有中心反演對稱性，并且III族元素的原子和N原子的電負性相差很大，導致III族氮化物及其異質結在方向具有很強的自發(fā)極化和壓電極化。目前，III族氮化物的研究主要是在極性c面上開展的，然而如前所述，c面上存在強極化效應，由強極化效應引起的強極化電場給器件的制作與應用帶來了諸多問題。首先，強極化電場會引起量子限制斯塔克效應，量子限制斯塔克效應使得發(fā)光二級管(LED)阱區(qū)量子阱中電子和空穴在空間上分離，減小了電子、空穴復合效率；量子限制斯塔克效應還會造成LED發(fā)光波長的紅移。其次，強極化電場使得c面高電子遷移率晶體管中存在著電流崩塌效應，這是目前限制高速電子遷移率晶體管(HEMT)器件實用化的主要問題(電流崩塌效應是指器件在應力、脈沖或者射頻等工作條件下，器件輸出電流減小、輸出功率和增益降低等導致器件性能惡化的現(xiàn)象)。強極化電場還會引起c面AlGaN/GaN異質結溝道中高濃度二維電子氣，使得在c面AlGaN/GaN異質結上很難制備出高性能的零柵電壓時常閉態(tài)工作的異質結場效應晶體管，即增強型場效應晶體管?？傊?，如此強的極化電場為c面器件給實際的應用帶來了諸多的不便。為了規(guī)避c面上存在的強極化效應，部分學者試圖在非極性或者半極性的III族氮化物材料上研制相關器件。1990年，幾個研究小組試圖通過不同的方法在不同的襯底上生長非極性平面《面GaN和非極性<3面6&1但是薄膜的品體質量非常差以至于不能達到器件的要求。在2000年，Waltereit等人首次報道了使用分子束外延(MBE)在鋁酸鋰(LiAlO2)襯底上生長《面GaN/AlGaN量子阱。自此，非極性生長的研究開始加速，并在利福尼亞大學的先驅者的幫助下，取得重大進步。2002年，Craven等人首次報道了使用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)在藍寶石r面和碳化硅(SiC) a面上生長并得到器件級質量水平的a面GaN。Haskell等人也報道了使用氫化物氣相沉積(HVPE)生長高質量的a面GaN。然而生長非極性a面薄膜的MOCVD生長參數(shù)的范圍很窄，而且對生長變量如反應腔壓力，溫度和源流量的變化非常敏感。另外，a面的外延缺陷密度是非常高的，達到101(lCm_2。各種方法包括一次橫向外延生長和二次橫向外延生長都用于減少這些缺陷密度。由于a面GaN生長窗口很窄，橫向外延生長的島的愈合及得到可重復的結果是非常困難的?，F(xiàn)如今，由于MOCVD法不能承受更高的生長溫度，生長 面GaN更多的是使用HVPE和MBE的方法。盡管Chen等人報道過一次在HVPE獨立生長的》面GaN上使用MOCVD同質外延GaN薄膜，但是商業(yè)》面碳化硅(SiC)的出現(xiàn)使本論文中首個器件級質量水平的同質外延GaN薄膜的實現(xiàn)成為可能。同時可以看到，目前大部分基于非極性面GaN材料上的研究主要集中在GaN材料的生長，但是使用GaN作為生長材料，后續(xù)生長的AIN、AlGaN等會受到很強的張應力，更容易產(chǎn)生裂紋，造成晶體質量變差。正是出于這個原因，本發(fā)明中AlN生長材料的研制是后續(xù)外延層生長的必需。導致非極性面材料晶體質量差的一個主要原因是:非極性面上生長的材料有著很強的各向異性結構，這種結構上的各向異性會導致生長速率上的各向異性，最終降低了表面形貌和晶體質量。為了解決不同方向上各向異性的問題，減少外延層的缺陷密度，一個很重要的方法是:橫向外延生長，即通過模板做圖形掩膜，限制某個方向的生長速度，使得不同方向上的各向異性降低，從而提高晶體質量和表面形貌。但是器件外二次橫向外延的方法嚴重增加了生長過程的復雜度，也增加了材料生長的消耗。為了規(guī)避器件二次外延，本發(fā)明提供了一種新型的器件內自圖形化生長AlN材料的方法，從而降低了器件制作所需的生產(chǎn)成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是在于解決上述提到的關鍵問題，提出采用通過高溫退火鋁銦氮(AlInN)產(chǎn)生自建圖形化AlN緩沖層，以此為基礎外延生長AlN材料的方法。本發(fā)明的技術方案為:一種利用AlInN自圖形化模板提高a面AlN質量的方法，其步驟:1)在藍寶石襯底上采用MOCVD生長AlInN薄層；2)在AlInN薄層上生長一層薄的低溫AlN層；3)高溫退火獲得自圖形化AlN緩沖層；4)在自圖形化AlN緩沖層上生長AlN材料。AlN材料是脈沖原子沉積法和普通生長方法交替生長的；同時AlN材料可以是非極性a面A1N，或者極性c面A1N。所述的藍寶石襯底，藍寶石襯底可以使r面藍寶石襯底，或者c面藍寶石襯底。所述的AlInN層，In組分為10%-20%，厚度為20-50nm。本發(fā)明的優(yōu)點在于:以器件內自建圖形的方法代替器件外二次外延，大大降低了側向外延技術的生產(chǎn)成本。


圖1為本發(fā)明外延材料結構的截面示意圖。圖中:
1-藍寶石襯底、2-A1 InN層、3-低溫AlN緩沖層、4-自圖形化AlN緩沖層、5、7、9_脈沖原子沉積生長的高溫AlN層、6、8、10-連續(xù)生長的高溫AlN層。
具體實施例方式步驟I，采用MOCVD工藝生長AlInN薄層。將r面藍寶石襯底清洗干凈，并裝入MOCVD反應腔，首先在1020°C下退火烘烤5分鐘，之后在氨氣(NH3)氣氛1100°C下氮化5分鐘。然后降溫至780°C，沉積30nm的AlInN薄層。生長過程中保持反應腔壓力為40mTorr,氨氣流量1500sccm。步驟2，沉積低溫AlN層
在上述步驟后，降溫至600 0C，沉積一層40nm的低溫AlN層。生長過程中反應腔壓力為40mTorr,氫氣流量 1500sccm,氨氣流量 1500sccm。步驟3，高溫退火，形成自圖形化AlN緩沖層
在上述步驟完成后，升溫至1300°C，將低溫Α1Ν/Α1ΙηΝ在器件內退火5分鐘，產(chǎn)生圖形化AlN緩沖層(如圖一 4所示)。步驟4，脈沖原子沉積與連續(xù)沉積方法沉積AlN材料
升溫至1000°C，采用脈沖原子沉積生長AlN 50分鐘:僅通入Al源0.15分鐘，同時通入Al源、氨氣0.1分鐘，此步驟重復進行200次(如圖一 5、7、9)。其間，腔壓保持40mTorr，氨氣流量1500sccm。之后升溫至1100°C，連續(xù)生長AlN層60分鐘(如圖一 6、8、10)，腔壓40mTorr,氨氣流量 2500sccm。本發(fā)明的利用AlInN自圖形化來提高a面AlN材料晶體質量的MOCVD生長方法還可以推廣到c面AlN模板生長工藝中。
權利要求
1.一種利用AlInN自圖形化模板提高a面AlN質量的方法，其步驟:1)在藍寶石襯底上生長AlInN薄層；2)在AlInN薄層上生長一層薄的低溫AlN層；3)高溫退火獲得自圖形化AlN緩沖層；4)在自圖形化AlN緩沖層上生長AlN材料。
2.根據(jù)權利要求1所述一種利用AlInN自圖形化模板提高a面AlN質量的方法，其特征在于:A1N材料是脈沖原子沉積法和普通生長方法交替生長的；同時AlN材料可以是非極性a面A1N。
3.根據(jù)權利要求1所述一種利用AlInN自圖形化模板提高<3面4故質量的方法，其特征在于:所述的藍寶石襯底，其特征藍寶石襯底可以使r面藍寶石襯底。
4.根據(jù)權利要求1所述一種利用AlInN自圖形化模板提高a面AlN質量的方法，其特征在于:所述的AlInN層，其特征在于In組分為10%_20%，厚度為20_50nm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種利用AlInN自圖形化模板提高a面AlN質量的方法，其步驟1)在藍寶石襯底上生長AlInN薄層；2)在AlInN薄層上生長一層薄的低溫AlN層；3)高溫退火獲得自圖形化AlN緩沖層；4)在自圖形化AlN緩沖層上生長AlN材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于以器件內自建圖形的方法代替器件外二次外延，大大降低了側向外延技術的生產(chǎn)成本。
文檔編號H01L31/18GK103094421SQ20131003117
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權日2013年1月28日
發(fā)明者張駿, 田武, 吳峰, 戴江南, 陳長清 申請人:華中科技大學