[发明专利]一种N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用In表面活性剂和Al浸润层，在单晶衬底上间隔输送N源制备氮化铝缓冲层，从而改善氮化物单晶薄膜质量的N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法。 属于宽禁带半导体外延材料技术领域。

背景技术

目前，氮化物薄膜因缺乏高质量的同质衬底，大多采用异质外延方式制备较高质量的氮化物外延薄膜，但异质衬底与外延薄膜之间存在较大的晶格和热膨胀系数差别，属于大失配体系，将在外延薄膜中产生高密度的位错和缺陷。根据衬底种类的不同，多会采用氮化镓或氮化铝作为缓冲层。氮化铝缓冲层因为晶格常数较小，性质稳定，对其上生长的氮化物薄膜产生压应力，能减小外延薄膜中因失配应力产生裂纹的几率，另外，因其绝缘性较好，在电子和微波器件中获得较多应用。

氮化铝缓冲层虽然可以通过常规的外延方法制备，但因为自身的物理化学特性所限制，较高的制备温度将有利于提高结晶完整性。现在外延设备的上限温度偏低，除非特殊改制加热部件，否则，很难获得高质量的氮化铝材料。经过探索，生长氮化铝的方法有连续生长和间隔供源生长法。连续生长法是氮化铝生长过程中保持Al源和N源无间断的持续通入，通过调整温度、压力、流量等工艺条件制备氮化铝；间隔供源生长法是Al源和N源或者其中的一种以脉冲方式互相间隔通入反应室，目的是避免Al源和N源过早混合，减少预反应，同时相对增加了Al原子的表面迁移长度，这样就可以在不提高生长温度的条件下，通过调整Al源和N源的通入时间、流量、间隔时间等条件改善氮化铝的质量，降低对外延设备的温度上限要求。连续生长法的障碍是需要大幅提高外延设备的生长温度，面临电源、加热器、控制电路、反应室等改造难题。间隔通供法的优点是利用现有设备，不需提高制备温度，通过改变源的输入方式和次序就可以改善氮化铝的制备。尽管间隔供源法比连续生长法的效果要好，但改变的只是Al原子的表面长度，并没有从改变Al原子表面迁移速度这个根本原因来提高氮化铝的质量。

发明内容

本发明提出了一种N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，采用In气氛保护和Al层浸润，在单晶衬底上间隔输入N源制备氮化铝缓冲层及氮化物单晶薄膜的方法。间隔供源方法可以增加Al原子表面迁移长度，制备高质量氮化铝缓冲层，在此基础上，一方面引入In作为表面活性剂，从根本上提高Al原子在衬底表面的迁移速度，并且在氮化铝制备结束后持续通入一定时间，促使表面质量的改善；另一方面将Al源先于N源通入衬底表面，可以在衬底表面形成浸润层，降低衬底的表面能，随后通入N源与Al浸润层生成氮化铝，提高了氮化铝的晶体质量。另外，在氮化铝制备结束后In源还要持续通入一段时间再关闭，保证了表面的平整度和光滑度。本方法在不提高生长温度的情况下，能够进一步改善氮化物单晶薄膜的晶体质量和表面形貌，降低应力，避免了连续生长方法和间隔供源法制备AlN缓冲层的不足。具有方法简单，工艺难度小，容易实现等优点。

本发明的技术解决方案：一种N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法，其结构是在单晶衬底上是氮化铝AlN缓冲层；在氮化铝AlN缓冲层上是氮化物单晶薄膜。

其制备方法，包括如下工艺步骤：

1）单晶衬底放入反应室，高温烘烤；

2）在单晶衬底上制备Al浸润层；

3）在浸润层上制备氮化铝AlN缓冲层；

4）在氮化铝AlN缓冲层上制备氮化物单晶薄膜；

5）降至室温，取出。

本发明的优点：1）AlN缓冲层制备过程和制备结束后一段时间内均采用In气氛保护，有效增加Al原子的迁移速度，提高氮化铝缓冲层的晶体质量和表面的光滑。2）采用Al浸润层降低表面能，改善氮化铝缓冲层的应力和晶体质量。3）N源间隔输入制备的AlN缓冲层有助于实现二维生长，缓冲氮化物单晶薄膜的应力，提高晶体和表面质量。4）结构简单，制备工艺可控。5）成本低，应用广泛，可以生长氮化物系列单晶薄膜与多层结构。

附图说明

附图1是氮化物单晶薄膜的结构示意图。

附图2是氮化铝缓冲层制备过程中In源、Al源和N源的通入顺序示意图。

图中1是单晶衬底、2是氮化铝（AlN）缓冲层、3是氮化物单晶薄膜。

具体实施方式

对照附图1，氮化物单晶薄膜，其结构是单晶衬底1上是氮化铝AlN缓冲层2；在氮化铝AlN缓冲层2上是氮化物单晶薄膜3。

 一种N源间隔输送制备氮化物晶薄膜的方法，包括如下工艺步骤：

1）单晶衬底放入反应室，高温烘烤；

2）在单晶衬底上制备Al浸润层；