[发明专利]金属有机物气相外延制备氮化物单晶薄膜的方法及其装置

说明书

本发明提出一种金属有机物气相外延制备氮化物单晶薄膜的方法及其装置，涉及一种III-V族氮化物半导体单晶薄膜的制备，并直接和以氮化镓(GaN)为基础的兰光光发射二极管(LED)的制备技术有关。

III-V族氮化物半导体材料包括氮化镓(GaN)，氮化铝(AlN)，氮化铟(InN)及其多元合金体系，如铟镓氮(InGaN)，铝镓氮(AlGaN)等。这些氮化物在α相，均为直接带隙半导体材料，室温下，InN，GaN，AlN的禁带宽度分别为1.9eV，3.39eV，6.2eV。InGaN和AlGaN的禁带宽度随组份变化，可以近线性地由1.9ev变到3.39ev和由3.39eV变到6.2eV。相应的发光波长复盖了整个可见光到紫外波段。特别是兰光到紫外波段光电器件的应用，引起了人们的广泛关注和研究。

在氮化物半导体材料的制备中，早期主要是以气相外延(VPE)方法为主，近来主要是以金属有机物气相外延(MOVPE)和分子束外延(MBE)技术为主。目前进展最快，取得效果最好的是MOVPE技术，在MOVPE技术中，通常是采用氨气NH₃做为N源，高纯氢气H₂作载气。采用三甲基镓(TMGa)，三甲基铝(TMAl)，三甲基铟(TMIn)做为Ga，Al，In源。采用c-面三氧化二铝Al₂O₃(0001)单晶片做为衬底，由于氮化物与Al₂O₃衬底之间，存在着较大的晶格失配和热应力失配，外延生长常采用两步生长法。见文献H.Amano，N.Sawaki，and Y.Toyoda，Appl.phys.Lett.48(5)，353(1986)和Shuji Nakamumura，Jpn.J.Appl，phys.30(10A)，L1708(1991)。即在低温下生长一层AlN或GaN做为过渡层，然后再高温生长外延层。但是，由于NH₃与III族有机源有较强的气相副反应，严重影响着晶体质量和源材料的利用效率。以NH₃与TMAl为例，主要气相副反应为：

进而导致(-NH₃Al-NH-)_n络合物的形成。而这种络合物是不能参加AlN的生成反应的。因此必须加以抑制。但是在外延生长过程中，又要求NH₃与III族有机源均匀混合，以获得均匀的外延生长。因此，这种副反应在技术上只能尽可能减小，而不能完全消除。另一个问题是由于NH₃在流体动力学方面的特殊性而引起的。对于其它III-V族化合物的MOVPE，主要的输运气体是H₂，反应物气体流量都是非常少的。流体特性基本由H₂的性质决定。在氮化物的MOVPE的过程中，NH₃气的流量非常之大，有时已接近或超过H₂气的流量。因此气体流动性质受NH₃的影响就不可忽略。与H₂相比，NH₃气的普朗特数Pr＝μC/k＝v/α比较高，这就意味着NH₃的运动粘度与导温系数之比，或者说NH₃的运动(或速度)的扩散率与热(或温度)的扩散之比较大。所以对于局部加热的MOVPE系统，在衬底上方易于产生大的温度梯度，导致相当大的热浮力，妨碍了反应物气体与衬底表面的接触。因此，气相副反应与热浮力的存在，不但严重影响着氮化物晶体的质量，也大大降低了材料的利用率。而氮化物非常低的生长速率一直是实际应用中的一个主要问题。