[发明专利]用MBE外延InAlGaN单晶薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别指采用分子束外延 (MBE)技术生长铟铝镓氮(InAlGaN)单晶薄膜的生长方法。

背景技术

氮化镓(GaN)基的紫外发光二极管(UV-LED)在白光照 明、生物和化学检测等领域有着重要的潜在应用，因而GaN 基UV-LED的材料生长和器件结构研究近年来引起人们的广泛 关注。由于铝镓氮(AlGaN)晶体质量较差，制备高性能的 GaN/AlGaN基UV-LED很困难。铟镓氮(InGaN)材料由于局域 化效应，InGaN基LED的性能对晶体质量不是很敏感。与InGaN 类似，铟铝镓氮(InAlGaN)四元合金的发光效率比AlGaN高 很多，目前InAlGaN已经被用于紫外特别是发射波长小于36 5nm的紫外LED和激光二极管(LD)中。此外，InAlGaN四 元合金的晶格常数和带隙可以独立调节，通过调节Al和In 的组分，不但可以获得不同的带隙，还可以得到与InGaN或 GaN晶格相匹配的异质结或量子阱结构，这样就降低或者消除 了因晶格失配导致的压电效应，从而提高发光效率。

然而，由于AlN、GaN和InN的键长和分解温度差异大， 生长时原子在表面的迁移速率和解吸附温度差异也比较大，生 长高质量的InAlGaN四元合金很困难。1992年， T.Matsuoka等人首次在蓝宝石上生长了InAlGaN，但是生长的 InAlGaN是多晶的，没有与带边相应的光致发光峰。1996 年F.G.Mclntosh等人用MOCVD方法在750℃生长了单晶 InAlGaN四元合金，光致发光测量中看到带边发光。1999 年，M.E.Aumer等人生长出了高质量的InAlGaN，此后关于 InAlGaN合金的生长、性质和应用的研究引起了大家的广泛关 注。

目前人们对InAlGaN的研究还处于初始阶段，InAlGaN主 要还是在大失配衬底蓝宝石(0001)上进行外延生长。本 发明以前的InAlGaN外延生长方法大多采用金属有机物化学 汽相沉积(MOCVD)进行外延生长，在衬底上生长厚的GaN材 料，在GaN层上生长InAlGaN。也有一些关于MBE外延InAlGaN 的报道，但都是在MOCVD提供的厚的GaN模板上或者厚的GaN 层上生长。

本发明的目的在于提供一种用分子束外延(MBE)生长 InAlGaN单晶薄膜的新方法，其方法是先通过将蓝宝石衬底暴 露在氨气中生长一薄层AlN，然后再升高衬底温度外延一层高 温AlN成核层，再降低到适当的温度，在高温AlN成核层上面 外延单晶InAlGaN。

本发明一种用MBE外延InAlGaN单晶薄膜的方法，其特征 在于，包括如下步骤：

1)选择一衬底；

2)在衬底上采用分子束外延法生长一层氮化层，使得蓝 宝石表面形成生长氮化物的浸润层；

3)升高衬底的温度；

4)在氮化层上生长一层成核层，为生长InAlGaN提供与 衬底相同取向的成核中心；

5)降低衬底的温度；

6)在成核层上生长InAlGaN层。

其中所述衬底为蓝宝石衬底。

其中所述氮化层的材料为AlN。

其中所述成核层的材料为高温AlN。

其中生长氮化层时，衬底的温度为600-800℃，压 力为1.33-6.65×10-3Pa，氮化层的生长厚度为0. 002-0.05μm。

其中成核层的生长温度为700-800℃，压力约1. 33-4.65×10-3Pa，成核层的生长厚度为0.002 -0.05μm。

其中InAlGaN外延层的生长温度为500-650℃，压 力为1.33-4.65×10-3Pa，InAlGaN外延层的生长 厚度为0.05-0.2μm。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本 发明作一详细的描述，其中：

图1是本发明的InAlGaN单晶外延膜的生长结构示意图；

图2是本发明的InAlGaN单晶外延膜的表面原子力显微 镜测试结果；

图3是本发明的InAlGaN单晶外延膜的RBS测试结果