CN103346068A - 高In组分AlInN薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlInN连续渐变缓冲层；步骤4：在连续渐变缓冲层上生长AlInN层。本发明采用新的缓冲层结构设计，可以使应力逐渐的释放，降低晶格失配的影响，减少生长过程中引入的位错。

Description

高In组分AlInN薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于半导体氮化物材料生长领域，特别涉及到高In组分的AlInN薄膜的制备方法，主要是采用三种优化的缓冲层结构设计来外延AlInN。

背景技术

三元合金材料AlInN是直接带隙材料，其带隙宽度从0.7到6.2eV可调，是氮化物合金中带隙可调范围最宽的材料。同时，AlInN晶格常数也有很大的可调范围，通过调节组分配比，可以得到AlInN/InGaN、AlInN/GaN和AlInN/AlGaN等晶格匹配的异质结构，如果将其作为半导体发光器件中的有源层，其发光波长覆盖了从红外到紫外的波谱范围。因此AlInN材料广泛用于发光二极管、太阳盲光电探测器、高电子迁移率晶体管等光电子器件中。

尽管AlInN具有巨大的应用前景，但是与AlGaN和InGaN相比，AlInN的生长要困难的多。目前生长AlInN薄膜，主要采用MOCVD和MBE，难以获得高质量的AlInN薄膜主要有两方面原因：一是AlN和InN的生长温度差异较大。如在MOCVD中InN的生长温度约为600℃，而AlN的生长温度约为1200℃甚至更高。二是AlN和InN在晶格常数，键长等物理性质上差异较大，因此生长的AlInN容易出现组分波动或者相分离。

目前生长AlInN，最常用的方法是先采用两步法生长出高质量的GaN缓冲层，然后再生长AlInN外延层，这种方法对于生长低In组分的AlInN效果较好。因为AlN、GaN、InN的面内晶格常数分别为3.112、3.189、3.548

InN的面内晶格常数与AlN和GaN差别较大。AlInN中，当In组分较低时，AlInN与GaN晶格常数比较接近，特别是当In-18％时，此时AlInN与GaN晶格常数匹配。所以目前报道的AlInN外延薄膜，采用GaN缓冲层，多数情况下，与GaN晶格匹配的AlInN薄膜质量最好。当AlInN中In＞18％时，随着In组分的升高，AlInN与缓冲层GaN的晶格失配越来越大，导致薄膜质量变差。另一方面，高In组分的AlInN是实现AlInN合金带隙大范围可调，以及AlInN/InGaN晶格匹配异质结必不可少的组成部分。所以我们有必要改进生长工艺，优化缓冲层的结构设计，以提高高In组分的AlInN薄膜质量。

发明内容

本发明提供了高In组分AlInN薄膜的制备方法，主要是在传统GaN缓冲层的基础上，设计了三种新的缓冲层结构。采用传统GaN缓冲层生长AlInN时，高In组分AlInN与GaN缓冲层间存在大的晶格失配。新的缓冲层结构设计，可以使应力逐渐的释放，降低晶格失配的影响，减少生长过程中引入的位错。

本发明一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlInN连续渐变缓冲层；

步骤4：在连续渐变缓冲层上生长AlInN层。

本发明还提供一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlInN跃变缓冲层；

步骤4：在AlInN跃变缓冲层上生长AlInN层。

本发明又提供一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长InN/AlN超晶格缓冲层；

步骤4：在超晶格缓冲层上生长AlInN层。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过优化缓冲层设计，能够有效的降低高In组分AlInN与GaN缓冲层大的晶格失配影响，改善AlInN外延薄膜质量。AlInN中，当In组分大于18％时，由于InN的面内晶格常数比GaN、AlN大很多，如果仅仅只采用GaN缓冲层，随着In组分的增加，AlInN与GaN缓冲层的晶格失配越来越大。大的晶格失配会在薄膜生长过程中产生应力，应力的释放导致位错的产生，这样薄膜质量就很难提高。在GaN缓冲层的基础上，我们优化了缓冲层结构，AlInN组分渐变缓冲层和AlInN组分跃变缓冲层可以使应力在缓冲层中逐渐释放，降低晶格失配带来的影响。而超晶格缓冲层，通过逐渐改变InN/AlN的厚度比，既实现了应力逐步释放，又可以过滤位错，提高AlInN薄膜的质量。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明的制备流程图；

图2是本发明第一实施例的结构示意图，显示缓冲层为AlInN组分连续渐变缓冲层；

图3是包含AlInN组分连续渐变缓冲层的能带结构图；

图4是本发明的第二实施例的结构示意图，显示缓冲层为AlInN跃变缓冲层；

图5是多层AlInN跃变缓冲层24的结构示意图；

图6是本发明的第三实施例的结构示意图，显示缓冲层为InN/AlN超晶格缓冲层；

图7是InN/AlN超晶格缓冲层34的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明提供一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，该方法为第一实施例，包括如下步骤：

步骤1：在衬底1上生长低温GaN形核层2，所述衬底1的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN，所述低温GaN形核层2的厚度为20-30nm，低温形核层的作用主要是为了初步释放衬底和缓冲层之间因晶格失配而产生的应力；

步骤2：在低温GaN形核层2上生长高温GaN缓冲层3，该高温GaN缓冲层3的厚度为1-3μm，生长高温GaN缓冲层主要是为了得到平整的薄膜表面，为后续缓冲层的生长做准备。

步骤3：在高温GaN缓冲层3上生长AlInN组分连续渐变缓冲层14，AlInN组分连续渐变缓冲层14由下到上，In组分逐渐增大，其底端In组分为0.18，顶端In组分小于或等于AlInN层5中的In组分。渐变缓冲层底端In组分为0.18，此设计主要是考虑到Al_0.82In_0.18N与GaN晶格匹配，这样缓冲层由GaN过渡到AlInN，产生的应力较小。另外，AlInN组分连续渐变缓冲层14由下到上，生长温度逐渐降低，降低生长温度主要是考虑到InN和AlN生长温度的差异。当In组分增加时，低的生长温度有利于AlInN中In的并入和吸收。

步骤4：在AlInN组分连续渐变缓冲层14上生长AlInN层5，其中AlInN层5中In的组分大于18％。

请参阅图1、图4及图5所示，本发明提供一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，该方法为第二实施例，包括如下步骤：

步骤1：在衬底1上生长低温GaN形核层2，所述衬底1的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN，所述低温GaN形核层2的厚度为20-30nm；

步骤2：在低温GaN形核层2上生长高温GaN缓冲层3，该高温GaN缓冲层3的厚度为1-3μm；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长多层AlInN组分跃变缓冲层24。多层AlInN组分跃变缓冲层24中各层的In组分由下到上逐渐增大，其中最底层In组分为0.18，此设计主要是考虑到Al_0.82In_0.18N与GaN晶格匹配，这样缓冲层由GaN过渡到AlInN，产生的应力较小。AlInN组分跃变缓冲层24最顶层In组分小于或等于AlInN层5中的In组分。另外，AlInN组分跃变缓冲层24由下到上，生长温度逐渐降低，这也是为了生长AlInN过程中In的有效并入和吸收；

步骤4：在AlInN组分连续渐变缓冲层14上生长AlInN层5，其中AlInN层5中In的组分大于18％。

第二实施例的其他结构与第一实施例相同。

请参阅图1、图6及图7所示，本发明提供一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，该方法为第三实施例，包括如下步骤：

步骤1：在衬底1上生长低温GaN形核层2，所述衬底1的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN，所述低温GaN形核层2的厚度为20-30nm；

步骤2：在低温GaN形核层2上生长高温GaN缓冲层3，该高温GaN缓冲层3的厚度为1-3μm；

步骤3：在高温GaN缓冲层3上生长InN/AlN超晶格缓冲层34。InN/AlN超晶格缓冲层34中自下而上，组34i中InN层厚度d_34i-InN与该组厚度d_34i的厚度比d_34i-InN/d_34i是逐渐增加的。InN/AlN超晶格缓冲层34中的最下一组中InN层厚度d_341-InN与该组厚度d341的厚度比d_341-InN/d₃₄₁为0.18，此设计与渐变缓冲层和跃变缓冲层中设计类似，主要是使缓冲层由GaN过渡InN/AlN超晶格缓冲层，产生的应力较小。InN/AlN超晶格缓冲层34中的最上一组中InN层厚度d_34m-InN与该组厚度d_34m的厚度比d_34m-InN/d_34m小于或等于AlInN层5中的In组分。

步骤4：在InN/AlN超晶格缓冲层34上生长AlInN层5，其中AlInN层5中In的组分大于18％。

第三实施例的其他结构与第一实施例相同。

虽然参照上述具体实施方式和实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。总之，本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。

Claims (9)

1.一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlInN连续渐变缓冲层；

步骤4：在连续渐变缓冲层上生长AlInN层。

2.根据权利要求1所述的高In组分AlInN薄膜的制备方法，其中所述衬底的材料为蓝宝石、Si、GaN、SiC或AlN。

3.根据权利要求1所述的高In组分AlInN薄膜的制备方法，其中AlInN组分连续渐变缓冲层由下到上，In组分逐渐增大，其底端In组分为0.18，顶端In组分小于或等于AlInN层中的In组分。

4.根据权利要求1所述的高In组分AlInN薄膜的制备方法，其中AlInN组分连续渐变缓冲层由下至上生长温度逐渐降低。

5.根据权利要求1所述的高In组分AlInN薄膜的制备方法，其中AlInN层中In的组分大于18％。

6.一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlInN跃变缓冲层；

步骤4：在AlInN跃变缓冲层上生长AlInN层。

7.根据权利要求6所述的高In组分AlInN薄膜的制备方法，其中多层AlInN组分跃变缓冲层中各层的In组分由下到上逐渐增大，其中最底层中In组分为0.18，最顶层中In组分小于或等于AlInN层中的In组分。

8.一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长InN/AlN超晶格缓冲层；

步骤4：在超晶格缓冲层上生长AlInN层。

9.根据权利要求8所述的高In组分AlInN薄膜的制备方法，其中InN/AlN超晶格缓冲层从最下层开始把其中相邻的一对InN/AlN层称为组，自下而上的组中InN层的厚度与该组的厚度的厚度比是逐渐增加的；InN/AlN超晶格缓冲层中的最下一组中InN层的厚度与该组的厚度的厚度比为0.18，InN/AlN超晶格缓冲层中的最上一组中InN层的厚度与该组的厚度的厚度比小于或等于AlInN层中的In组分。

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