[发明专利]一种高晶体质量AlN外延层的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及外延层生长技术领域，尤其涉及一种基于大倾角蓝宝石衬底上生长高晶体质量ALN外延层的方法。

背景技术

近年来，在医疗、杀菌、印刷，数据存储、探测以及保密通讯等方面应用巨大需求的推动下，以高Al组分AlGaN(Al组分大于0.4，简称高Al-AlGaN)为核心的深紫外(DUV)发光器件和探测器件日渐引起人们的重视。而要研制高性能DUV发光器件和探测器，AlN衬底以及高晶体质量AlN模板是实现上述器件的关键基础之一，因此二者的制备方法显得极为重要。由于目前商业化的AlN单晶衬底价格昂贵、难以获得，因而选择在紫外透光率很高的蓝宝石衬底上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制备高晶体质量AlN模板就成为国际上的主流路线。然而，上述制备过程中存在较大的晶格失配，导致AlN中产生大量的贯穿位错TD(10⁹-10¹⁰cm^-2)，严重影响AlGaN基光电器件的性能，因而发展低位错密度AlN模板制备方法极为重要。

在(0001)面蓝宝石衬底上采用MOCVD生长AlN模板的工艺过程一般分为以下五个阶段：

(1)烘烤阶段：氢气环境下，在高温(如1100℃)下烘烤衬底约10分钟；

(2)衬底预处理阶段：降温(如950℃)，Al化衬底；

(3)成核阶段：调整成核层生长温度(如940℃)，并以三甲基铝和氨气为源生长AlN成核层；

(4)升温阶段：将温度升高(如1100-1300℃)；

(5)外延生长阶段：通入三甲基铝和氨气生长AlN外延层，厚度为1-3微米。

由于衬底技术的限制和AlN本身的物理、化学特性，加上目前商用的MOCVD生长温度不够高(一般不超过1200℃)。无法完全剪裁AlN的生长行为，使得在高晶体质量GaN外延生长行之有效的“两步法”中减少位错的“多面控制模式”(如图1所示)难以在AlN的制备中有效实现。无法利用多个生长面对位错的镜像力作用来实现贯穿位错的弯折效应(bending)，进而实现位错湮灭、反应，不再向上延伸的物理过程。此外，由于(0001)面蓝宝石上AlN生长过程中所受的双轴应力，在纤锌矿结构氮化物的主要的位错滑移系统{0001}<11-20>、{1-100}<11-20>、{1-100}<0001>、{11-20}<0001>、{11-20}<1-100>的有效剪切应力因子为零。故而通过应力工程实现位错滑移，创造位错相遇进而湮灭、反应的途径也十分低效。基于上述的限制，必须开发能有效减少贯穿位错(包括螺型位错和刃型位错)的AlN外延生长框架。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种生长低位错密度和表面平整的高晶体质量AlN外延层的方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是传统方法MOCVD制备的高晶体质量AlN外延层位错密度大、表面不平整的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高晶体质量AlN外延层的生长方法，采用大倾角蓝宝石衬底，包括以下步骤：

S1：烘烤衬底；

S2：低温沉积AlN成核层；

S3：升温退火；

S4：AlN高温外延生长，利用台阶聚效应导致的宏台阶降低位错密度；

S5：AlN表面形貌控制，提高生长速度修正表面形貌，促进所述宏台阶的减弱和消失，以获得表面平整的AlN表面。

优选地，在所述步骤S1与所述步骤S2之间执行下述步骤：

S20，氮化衬底。

优选地，所述步骤S20的氮化过程温度为900-1000℃，反应室压力为50-100mbar，氮化时间为5-20s。

优选地，所述步骤S4外延生长温度为1000-1200℃，氨气和金属有机源的摩尔流量比小于400，生长压力为50-100mbar。

优选地，所述大倾角蓝宝石衬底的倾角为1°-4°。

优选地，在所述步骤S1之前执行步骤S0实现所述氮化时间与所述倾角相匹配；实现所述氮化时间与步骤S2中形成的AlN成核层厚度相匹配。

优选地，所述厚度为7-15nm。

优选地，所述步骤S4中的AlN的生长速度为0.5-0.7μm/h，所述步骤S5中的AlN的生长速度为不小于1μm/h。