[发明专利]一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法

说明书

本发明涉及一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，基于氮化铝衬底的高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，在MOCVD设备中进行的，包括如下步骤：选择一氮化铝衬底；将衬底放入MOCVD反应腔内，升温烘烤衬底；通入氨气（NH₃）对衬底进行保护，进一步提升生长温度，同时通入三甲基铝（TMAl）、氨气（NH₃），采用低生长速率生长第一层氮化铝（AlN）优化层；而后降低生长温度，提高生长速率生长第二层高质量AlN外延薄膜。本发明的优点：方法简单易行，生长周期短，材料性能好，是实现AlN外延薄膜高质量、低成本生长的有效解决方案。

技术领域

本发明是一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，属于半导体技术领域。

背景技术

Ⅲ族氮化物（包括氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化铟、氮化铟镓、氮化铟铝镓等），其禁带宽度可在0.7eV-6.2eV间调节，覆盖整个中红外、可见光和紫外波段。在光电子应用方面，如白光二极管（LED）、蓝光激光器（LD），紫外探测器等方面获得了重要的应用和发展。氮化铝（AlN）作为宽带隙的直接带隙半导体，具有宽带隙（6.2eV），是一种重要的蓝光和紫外发光材料，在紫外探测器 、紫外发光二极管和紫外激光器等光电器件中有重要的应用，特别是在背入射日光盲探测器、倒扣封装的紫外LED中是必不可少的。同时，因为又具有高热导率、高硬度、高熔点以及高的化学稳定性、大的击穿场强和低的介质损耗，尤其是AlN具有与Si、GaAs等常用半导体材料的热膨胀系数相近和兼容性强的特点，氮化铝薄膜可用于高温、高功率的微电子器件。

深紫外AlGaN基光电器件在污水净化、杀菌、医学、生化、白光照明、军事等诸多领域有着广泛的应用。目前，由于缺乏与高Al组分AlGaN基材料晶格相匹配的衬底，所以难以生长出高质量高Al组分AIGaN器件结构外延层。理论上，最适合于高Al组分AlGaN基材料生长的是AlN 单晶衬底，它不仅与高Al组分AlGaN外延层具有良好的晶格匹配度，并且对深紫外光透过性好。AlN作为一种新型的宽带隙半导体，比GaN、SiC衬底具有更强的热稳定性，其衬底表面吸附的杂质离子类型也不相同。因此，采用AlN衬底进行外延生长高质量AlN外延层时，采用的方法也不同于GaN、SiC等衬底。高质量的AlN外延生长难度较大，主要有两方面的原因：(1) Al-N 键能很强。Al 原子在生长表面的扩散受到限制, 侧向生长速率很低，很难形成二维层状生长；(2) MOVPE 生长中的Al 源TMA 和NH₃ 之间有强烈的预反应，预反应不但会消耗大量反应剂，而且形成的固态聚合物可能会沉积在样品表面而不能够充分分解，导致外延层中杂质的掺入，甚至会造成外延层的多晶生长。因此能否制备出具有低位错密度、无裂纹、原子级光滑表面的AlN材料，是提高器件特性的关键。

同时，受晶格匹配度和表面重构的影响，AlN衬底上同质外延AlN材料其生长机理有别于异质外延技术， AlN异质外延技术中由于与衬底的晶格失配较大，一般采用两步法生长，即先生长一层低温的成核层（岛状生长模式），然后成核层高温退火重结晶后继续高温生长（层-层生长模式），通常以上三种生长模式在AlN异质外延技术中都可以观察到。而同质外延中除了这三种生长模式外，还有两种新的生长模式（台阶流生长模式和台阶聚并生长模式）更为常见。台阶流生长模式是生长沿着台阶层铺满整个台面，最终各个台面完成一层生长后的表面台阶状况没有发生变化，整个过程就像各个台阶平行向前流动一样。当台阶不是单层生长，而是一群台阶聚并形成更高台阶的情况时，就是台阶聚并生长模式，此台阶聚并会增大表面粗糙度，影响材料性能，因此生长中应当避免。台阶流生长模式由于能产生结构完整和平滑的表面，为最优的生长模式。生长模式的选择对位错、杂质等微观缺陷的形成以及表面形貌都有着非常重大影响。如果想要获得原子级平滑的表面，就需要避免层-层模式和台阶聚并模式，而采用台阶流生长模式。

发明内容

本发明提出的是一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，其目的在于针对现有技术存在的缺陷，通过采用AlN衬底，实现同质外延生长，简化外延生长工艺，从根本上消除晶格失配应力对外延薄膜的影响，从而获得高质量的AlN外延薄膜。