一种AlN外延薄膜制备方法与流程

本发明实施例涉及iii族氮化物宽禁带半导体制备技术领域，具体涉及一种aln外延薄膜制备方法。

背景技术：

近年来，信息科学技术的高速发展推动着iii族氮化物半导体材料和器件的探索向低功耗、多波段、超快响应、超高容量、微型化和高集成度方向发展。algan材料由于具有直接带隙和其禁带宽度能随着al组分不同实现3.4ev(365nm)到6.2ev(200nm)连续可调的特点。另外，由于其表面复合率低、具有较高的量子效率、在苛刻的环境中具有很高的稳定性等特点，algan及其低维量子阱结构也是制备短波长深紫外发光二极管(duv-led)的理想材料，近年来也被国际上普遍认为是继gan基量子阱和异质结构材料后最为重要的一类氮化物半导体材料体系。algan基duv-led，在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域和水与空气净化等环保领域以及大容量信息传输和存储等信息领域具有广泛应用。然而，目前报道的国际上duv-led总体的发光效率仍然不高，对发光波长低于280nm的duv-led而言，其外量子效率(eqe)的平均水平仅维持在5％的水平，其主要的原因，除了器件结构的合理设计外，材料中的缺陷，特别是位错密度的控制至关重要。发展表面原子级别平整和低位错密度的aln模板的有效制备方法是实现高性能duv光电器件的关键材料基础。

由于aln单晶衬底的价格、尺寸的限制，目前深duv-led都是采用在紫外光透过率很高的(0001)面蓝宝石上外延生长aln模板来实现的，这也是目前国际上的主流方式。然而由于非常大的晶格失配，一般aln模板中存在很高的贯穿位错密度(10⁹-10¹⁰cm^-2)。这些贯穿位错一般会延伸到量子阱中，严重影响器件的发光性能。

目前在(0001)面蓝宝石衬底上的aln模板制备的工艺环节过程一般有以下几个阶段：(1)高温烘烤清洗蓝宝石衬底：氢气(h2)氛围下，在1050-1150℃高温烘烤衬底5-10分钟；(2)衬底预处理阶段：降温(例如降温至950℃)，al化衬底；(3)成核阶段：调整温度(如900-1000℃)，生长aln成核层；(4)升温升至高温(1200-1400℃)，通入三甲基铝和氨气,高温外延制备aln薄膜。发展贯穿位错密度高效降低的有效方式是aln异质外延核心环节。

在实现本发明实施例的过程中，发明人发现一般情况下由于aln的键能很大，化学稳定性高，使得直接套用在gan晶体质量控制中十分有效的“两步法”用来实现减少aln中的位错的做法十分低效。

技术实现要素：

本发明实施例的一个目的是解决现有技术制备的aln薄膜位错密度较大的问题。

本发明实施例提出了一种aln外延薄膜制备方法，包括：

s1、采用溅射法在衬底沉积aln成核层；

s2、采用mocvd生长方法，在所述ain成核层上，外延生长ain模板；

s3、采用低温、高温循环交替的方法，继续生长ain薄膜。

可选的，在所述步骤s1中，所述成核层的厚度为5-400nm，衬底温度为300-900℃。

可选的，所述步骤s2包括：

向放置有所述衬底的mocvd设备的反应室中通入氢气，保持反应室中的温度为1200-1250℃，压力为50-100mbar；

通入三甲基铝和氨气并保持第一预定值的v/iii摩尔比，生长第一预设厚度的aln，作为aln模板。

可选的，所述第一预设厚度为300-700nm。

可选的，所述步骤s3包括：

保持所述反应室的压力；

低温生长步骤：降低所述反应室的温度至第一预设温度范围，调整所述v/iii摩尔比至第二预定值，生长第二预设厚度的aln；

高温生长步骤：升温所述反应室的温度至第二预设温度范围，调整所述v/iii摩尔比至第三预定值，生长第三预设厚度的aln；

重复所述低温生长步骤和所述高温生长步骤。

可选的，所述低温生长步骤和所述高温生长步骤的交替次数为2-3次。

可选的，以所述高温生长步骤结束生长。

可选的，所述第一预设温度范围为700-900℃；所述第二预设温度范围为大于1200℃。

可选的，所述v/iii摩尔比的第二预定值大于第三预定值。

由上述技术方案可知，本发明实施例提出的aln外延薄膜制备方法首先采用溅射法溅射一层aln，然后在mocvd中采用温度调制生长的方法生长aln薄膜，与现有技术相比，能制备出的原子级表面平整、低位错密度aln薄膜。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一实施例提供的一种aln外延薄膜制备方法的流程示意图；

图2示出了本发明一实施例提供的蓝宝石衬底上典型的aln生长结构示意图；

图3示出了本发明一实施例提供的位错减少示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的一种aln外延薄膜制备方法的流程示意图，参见图1，该方法具体包括如下步骤：

s1、采用溅射法在清洗干净的c面蓝宝石衬底沉积aln成核层；

s2、采用mocvd生长方法，在所述ain成核层上，外延生长ain模板；

s3、采用低温、高温循环交替的方法，继续生长ain薄膜。

下面对步骤s1-s3进行详细说明：

在所述步骤s1中，所述成核层的厚度为5-400nm，衬底温度为300-900℃。

所述步骤s2包括：

向放置有所述衬底的mocvd设备的反应室中通入氢气，保持反应室中的温度为1200-1250℃，压力为50-100mbar；

通入三甲基铝和氨气并保持第一预定值的v/iii摩尔比，生长第一预设厚度的aln，作为aln模板。

其中，所述第一预设厚度为300-700nm。

所述步骤s3包括：

保持所述反应室的压力；

低温生长步骤：降低所述反应室的温度至第一预设温度范围，调整所述v/iii摩尔比至第二预定值，生长第二预设厚度的aln；

高温生长步骤：升温所述反应室的温度至第二预设温度范围，调整所述v/iii摩尔比至第三预定值，生长第三预设厚度的aln；

重复所述低温生长步骤和所述高温生长步骤，以所述高温生长步骤结束生长(可参考图2所示的3周期高低温度生长结构示意图)。

其中，所述低温生长步骤和所述高温生长步骤的交替次数为2-3次。所述第一预设温度范围为700-900℃；所述第二预设温度范围为大于1200℃，所述v/iii摩尔比的第二预定值大于第三预定值。

需要说明的是，本实施例额关键点是s1、s2和s3步骤的配合。如图2所示的典型的aln生长结构示意图中，在由于大的晶格失配，一般在aln模板中存在大量的贯穿位错(如图3所示)。通过采用溅射aln作为成核层，由于其取向较好，并且能有效减少与蓝宝石之间的晶格失配，导致aln模板中的位错能减少较多；而随着低温-高温循环交替的方式导致的aln表面粗糙化-平整化的交替演变，能有效的导致部分位错会受到一些倾斜生长晶面的镜像力的作用发生弯折(bending)，导致位错之间相互作用，成环、湮灭，不再向上延伸，进而极大地减少后面生长的aln中的位错密度，为此，需要优化低温-高温循环交替的周期以及生长中各层，特别是低温层厚度，达到匹配以高效降低aln外延层中的位错(包括螺型和刃型)的目标。

可见，本实施例首先采用溅射法溅射一层aln，然后在mocvd中采用温度调制生长的方法生长aln薄膜，与现有技术相比，能制备出的原子级表面平整、低位错密度aln薄膜。

下面参照实例进行本发明实施例进行详细说明(以制备3微米aln模板为例)：

1)采用溅射设备，以高纯度al源和n2等离子体(plasma)分别提供al和n源，保持(0001)面蓝宝石衬底温度600℃条件下，溅射aln厚度50nm作为成核层；

2)在mocvd设备(3×2”aixtronccsfp-mocvd)反应室中放入已经溅射了aln的蓝宝石衬底，通入h2，升温到在1250℃下，稳定50秒；

3)保持反应室压力为50mbar，温度为1250℃，通入三甲基铝(tmal)和氨气并保持其v/iii摩尔比为200，以每小时0.6微米的速度高温生长厚度为500纳米的aln，作为模板；

4)保持反应室压力为50mbar，降温至850℃，调整v/iii为2000，以每小时1微米的速度，在该模板上继续生长aln，厚度为200纳米；

5)保持反应室压力为50mbar，升温至1270℃，调整v/iii为100，以每小时0.5微米的速度，高温生长aln，厚度为500纳米；

6)继续重复步骤4)-5)两次，结束生长。

综上所述，本发明提供了一种结合普通c面蓝宝石上溅射aln和mocvd中的高低温多周期交替生长方法，通过对溅射aln厚度、高低温度生长的aln的条件，包括温度、v/iii比、生长厚度的优化能实现原子级平整、位错密度较低aln的制备。

可见，本发明所包含的技术框架具有一些新颖之处，不同于目前国际上常见的制备aln的一般技术路线,即采用在平整的蓝宝石衬底上通过低温成核和高温外延的调整工艺参数的方法或者通过基于图形化衬底的侧向外延生长过程来实现减少位错的技术路线。本专利的方案结合了aln溅射成核和多周期低高温调制生长的优点，可以实现高稳定性、高可重复性的表面原子级别平整、低位错密度的无裂纹的aln模板的大量制备，可以满足商业化的深紫外光电器件的生产需要。其关键在于结合溅射aln和高低温度多周期循环生长两个核心步骤，避开直接在蓝宝石衬底上采用mocvd来生长低温aln成核层这一步骤，而仅使用mocvd实现aln薄膜生长模式的三维-二维的交替变化，从而最后获得无裂纹、表面平整、位错密度低的aln薄膜。一方面，该方法能利用溅射aln显著减少与蓝宝石衬底之间的晶格失配，有效的减少高温初始生长的aln模板中的位错密度；另一方面，能充分利用低高温度多周期循环调制生长引入的表面粗糙化-平整化导致的等效多面生长竞争机制，利用倾斜面的镜像力作用弯折位错，有效减少aln薄膜中的位错的同时还能十分有效的维持表面原子级别的平整。利用x射线衍射omega摇摆曲线扫描，aln薄膜(002)面摇摆曲线半高宽可小于150arscec,(102)面半高宽可小于400arscec，具有较低的螺型和刃型位错密度。此外，采用该技术框架制备的aln还能维持原子级平整的表面。因此，本发明提供了一种可靠的、高可重复性的实现蓝宝石衬底上的高质量aln外延薄膜的制备方案。

对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。