一種利用氫氣原位刻蝕提高氮化鋁晶體質(zhì)量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種利用氫氣原位刻蝕提高氮化鋁晶體質(zhì)量的方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]III族氮化物(包括氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化銦、氮化銦鎵、氮化銦鋁鎵等)，其禁帶寬度可在0.7eV-6.28eV間調(diào)節(jié)，覆蓋整個中紅外、可見光和紫外波段。在光電子應(yīng)用方面，如白光二極管(LED)、藍光激光器(LD)，紫外探測器等方面獲得了重要的應(yīng)用和發(fā)展。氮化鋁(AlN)作為寬帶隙的直接帶隙半導(dǎo)體，具有寬帶隙(6.2eV)，是一種重要的藍光和紫外發(fā)光材料，在紫外探測器、紫外發(fā)光二極管和紫外激光器等光電器件中有重要的應(yīng)用，特別是在背入射日光盲探測器、倒扣封裝的紫外LED中是必不可少的。同時，因為又具有高熱導(dǎo)率、高硬度、高熔點以及高的化學(xué)穩(wěn)定性、大的擊穿場強和低的介質(zhì)損耗，尤其是AlN具有與S1、GaAs等常用半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)相近和兼容性強的特點，氮化鋁薄膜可用于高溫、高功率的微電子器件。
[0003]深紫外AlGaN基光電器件在污水凈化、殺菌、醫(yī)學(xué)、生化、自光照明、軍事等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，由于缺乏與高Al組分AlGaN基材料晶格相匹配的襯底，所以難以生長出高質(zhì)量高Al組分AIGaN器件結(jié)構(gòu)外延層。理論上，最適合于高Al組分AlGaN基材料生長的是AlN單晶襯底，它不僅與高Al組分AlGaN外延層具有良好的晶格匹配度，并且對深紫外光透過性好。但AlN單晶襯底價格昂貴，且材料來源相對稀缺，目前一般采用在C面藍寶石襯底上異質(zhì)外延生長AlN基板的方法來代替AlN單晶襯底，但由于藍寶石由于AlN存在較大的晶格失配和熱失配，導(dǎo)致在外延層中引入較高的位錯密度和較強的張應(yīng)力，從而嚴重影響AlGaN基紫外器件的性能。目前在硅、藍寶石和SiC襯底上外延GaN基材料，普遍采用AlN薄膜作為緩沖層，但是想要外延制備高質(zhì)量AlN薄膜非常困難。主要有兩方面的原因:(I)Al-N鍵能很強。Al原子在生長表面的擴散受到限制，側(cè)向生長速率很低，很難形成二維層狀生長；(2)MOVPE生長中的Al源三甲基鋁和氨氣之間有強烈的預(yù)反應(yīng)，強烈的預(yù)反應(yīng)不但會消耗大量反應(yīng)劑，而且形成的固體化合物可能會沉積在樣品表面而不能夠充分分解，導(dǎo)致外延層中雜質(zhì)的摻入，甚至?xí)斐赏庋訉拥亩嗑L。因此能否制備出具有低位錯密度、無裂紋、原子級光滑表面的AlN材料，是提高器件特性的關(guān)鍵。本發(fā)明在AlN生長過程中，引入氫氣原位刻蝕的方法在AlN材料中形成孔洞層，起到煙滅位錯的作用。該方法省時省力，無需其他設(shè)備，且不會造成反應(yīng)室污染，是提高AlN晶體質(zhì)量的有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單，利用MOCVD設(shè)備原位刻蝕技術(shù)在氮化鋁材料中形成煙滅位錯的孔洞層，制備高質(zhì)量氮化鋁外延材料的方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的利用氫氣原位刻蝕技術(shù)提高氮化鋁晶體質(zhì)量的外延方法，分為以下五個階段(如圖1所示):
[0006]I)烘烤階段:氫氣氛圍下，對襯底10高溫(1100°C -1200°C )烘烤10分鐘；
[0007]2)成核階段:降溫到800°C -950°C,以三甲基鋁和氨氣為反應(yīng)源生長低溫AlN成核層20，厚度20-60nm;
[0008]3)第一次高溫外延生長階段:在氨氣保護下，將溫度提高到1150°C -1300°C，通入三甲基鋁，以每小時900nm的速度外延生長AlN薄膜30，厚度為200nm-500nmo
[0009]4)原位刻蝕階段:停止通入反應(yīng)源三甲基鋁和氨氣，溫度保持不變，氫氣氛圍下刻蝕A1N10-30分鐘，形成孔洞層40 ；
[0010]5)第二次高溫外延生長階段:降低V /III比，重新通入三甲基鋁和氨氣，繼續(xù)生長外延層50，厚度為500nm-1000nm。
[0011]在本發(fā)明中，優(yōu)選的刻蝕溫度為1150°C -1300°C，壓強為50_100torr，刻蝕時間10-30分鐘。
[0012]在本發(fā)明中，高溫再生長階段V / III比為200-400，壓強為50-75torr。
[0013]在藍寶石襯底上應(yīng)用MOCVD兩步生長法生長AlN薄膜時，與GaN的兩步生長法不同，AlN低溫成核層向高溫外延層過渡時很難形成三維島狀生長向二維層狀生長過渡的階段，因而由于異質(zhì)外延的晶格失陪造成外延層中形成大量位錯。而在AlN外延生長過程中，通過可控的辦法粗化A1N，然后再將粗糙界面生長平整，該過程能起到無掩膜側(cè)向外延生長的作用，能有效的提高材料晶體質(zhì)量。
[0014]在高溫氫氣氛圍下，AlN薄膜表面的氮原子和活性的氫結(jié)合形成氨氣，AlN發(fā)生分解，形成大量密集的孔洞層。氫氣原位刻蝕后AlN再生長過程發(fā)生在該孔洞層，在低V /III比、低壓和高溫條件下，AlN的側(cè)向外延速率得到提升，通過側(cè)向外延生長孔洞逐漸的合并，最終形成平整表面，而在側(cè)向外延的過程的部分位錯發(fā)生彎曲，合并時位錯相互煙滅，從而降低外延層中的位錯密度，提高外延層晶體質(zhì)量。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:通過高溫氫氣原位刻蝕技術(shù)，在外延層中引入孔洞層，通過控制側(cè)向生長速率，能有效的將位錯煙滅在孔洞層，該過程無需使用其他設(shè)備，不會引入其他污染源，經(jīng)濟簡便；同時該孔洞層能有效釋放異質(zhì)外延產(chǎn)生的剩余引力，消除襯底剩余應(yīng)力導(dǎo)致的外延層開裂的問題。本發(fā)明方法簡單易行，生長周期短，材料性能好，是制備高質(zhì)量、無裂紋AlN外延薄膜的有效方法。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的一個實施例的工藝示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明氫氣原位刻蝕AlN后形成的孔洞結(jié)構(gòu)在原子力顯微鏡下的表面形貌圖像。
[0018]圖3是采用本發(fā)明外延的高質(zhì)量AlN薄膜在原子力顯微鏡下的表面形貌圖像。
【具體實施方式】
[0019]下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0020]實施例1:
[0021]I)用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備，襯底采用(0001)面藍寶石襯底10，通入H2，反應(yīng)室壓力為300torr，在1100°C溫度下加熱10分鐘，清潔襯底。
[0022]2)降溫到850°C，同時通入三甲基鋁和氨氣，H2為載氣，反應(yīng)室壓力為lOOtorr，以生長速率每小時700nm的速度生長成核層20，厚度