[发明专利]一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，是在单晶衬底上利用超晶格缓冲层调控氮化物单晶薄膜应变的方法。 

背景技术

氮化物、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带单晶薄膜材料具有优良的理化性能在微电子和光电子等领域有广泛的应用。由于同质衬底制备和加工难度较大造成价格昂贵，或者同质单晶衬底制备技术还未获得突破不能实用，所以通常宽禁带单晶薄膜的生长均采用异质外延方式制备。在衬底和外延单晶薄膜之间存在着较大的晶格常数和热膨胀系数失配，在外延层中会产生高密度的位错和缺陷以及较高的应力，不但影响外延薄膜的晶体质量、表面形貌的提高，也将会对在其上制备的器件性能产生不利影响。

因为缺少晶格匹配的单晶衬底材料，宽禁带单晶薄膜一般采用多步生长的异质外延方法，通过在衬底上生长缓冲层来降低晶格常数失配，这种方法有效提高了外延层的晶体质量和表面形貌，促进了大失配异质外延技术的发展。另外，衬底和外延单晶薄膜之间存在热膨胀系数造成的应力也是不容忽视的问题。常用在外延层中插入高温或低温层的方法来解决，比如生长GaN单晶薄膜常用高温AlN、高温AlGaN、高温SiN、低温GaN、低温AlN、低温SiN等作为插入层，因为插入层与外延层的生长条件不同，需要中断外延层生长过程，引入的较长时间的温度和气流转换造成生长条件的波动，将影响外延薄膜的质量。为了获得较好的晶体质量和应力释放效果，大多采用引入多个插入层的办法，但每个插入层的温度、厚度等条件都需要仔细优化，增加了控制难度和生长时间，而且插入层数量过多会引起晶体质量和表面质量的恶化。 

发明内容

本发明提出的是一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，是在单晶衬底上采用铝浸润层、氮化铝AlN缓冲层和AlN/GaN超晶格缓冲层调控氮化物单晶薄膜应变的方法。

本发明的技术解决方案是：一种氮化物单晶薄膜的应变调控方法，包括以下步骤：

1）将单晶衬底放入反应室，高温烘烤；将单晶衬底放入MOCVD反应室内，升温至1050-1180℃，反应室压力50-100torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）降温至850-1180℃，反应室压力50-200torr，通入三甲基铝，在单晶衬底上生长0.5-3nm厚铝浸润层；

3）通入高纯氨气，在铝浸润层上生长30-300nm厚AlN缓冲层，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护变温至850-1180℃，反应室压力30-200Torr，通入三甲基镓，在氮化铝AlN缓冲层上生长1-5nm厚GaN，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝，在GaN上生长1-5nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，依次生长GaN/AlN超晶格缓冲层，超晶格的总周期数5-30个，厚度50-200nm，关闭三甲基铝；

5）温度1060℃，压力200Torr，通入三甲基镓，在超晶格缓冲层上生长2μm厚GaN单晶薄膜；关闭三甲基镓；

6）氨气保护降至室温，取出。

本发明的优点：通过沉积铝浸润层和较厚的AlN缓冲层可以释放部分晶格失配和热失配应力。AlN/GaN超晶格缓冲层的加入会进一步缓冲应力。通过调节AlN/GaN超晶格缓冲层中AlN和GaN单层的厚度以及超晶格总厚度控制氮化物单晶薄膜所受的应力状态（如张应力、压应力、无应力等）。超晶缓冲层可以根据需要通过掺杂形成n或p型等导电或高阻性质。本方法结构简单，工艺可控。

附图说明

附图1是本发明的原理示意图。

图中的1是单晶衬底、2是氮化铝缓冲层、3是超晶格缓冲层、4是氮化物单晶薄膜。

具体实施方式

实施例1：

1）将蓝宝石单晶衬底放入MOCVD反应室内，升温至1120℃，反应室压力100torr，氢气气氛烘烤10分钟；

2）降温至1100℃，反应室压力100torr，通入三甲基铝生长0.5nm铝浸润层；

3）通入高纯氨气生长30nm厚AlN，切换三甲基铝至旁路；

4）氨气保护降温至1060℃，压力150Torr，通入三甲基镓生长1nm厚GaN后，切换三甲基镓至旁路，通入三甲基铝生长1nm 厚AlN，切换三甲基铝至旁路，通入三甲基镓，重复生长GaN/AlN单元5个周期，厚度10nm，关闭三甲基铝；

5）温度1060℃，压力200Torr，生长2μm厚GaN层，关闭三甲基镓；

6）氨气保护降至室温取出。

实施例2：