一种利用H₂腐蚀和SiN_x掩埋提高AlGaN材料质量的方法

专利名称：一种利用H₂腐蚀和SiN_x掩埋提高AlGaN材料质量的方法
—种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AIGaN材料质量的方法技术领域
本发明属于半导体材料领域，特别涉及一种高晶体质量AlGaN材料的MOCVD生长方法，可用于生长AlGaN基紫外探测器、紫外LED、紫外红外双色探测器等光电子器件等领域。
背景技术：
铝镓氮(AlGaN)材料作为第三代新型宽禁带半导体材料的重要代表之一，具有宽的直接带隙(在3.4 6.2eV连续可调)，高的击穿电压、大的电子饱和速度、耐高温、抗辐射等特点，因而AlGaN材料及低维量子结构在制作紫外探测器、紫外发光二极管(UV-LED)以及紫外红外双色探测器件和高频微波功率器件等方面具有传统半导体材料无法比拟的优势，在光电子产业、生物医疗产业、国防工业等领域具有重要的应用前景，是支持未来光电子技术、微电子技术和通信技术等高新技术产业发展的关键性基础材料。
然而，要实现上述应用，高质量AlGaN材料的获得是关键。由于AlGaN体材料衬底的缺失，目前AlGaN薄膜主要是在c面蓝宝石(Sapphire)衬底上异质外延生长的，两者之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，从而导致AlGaN材料易龟裂，难以获得较厚的AlGaN薄膜。利用类似于氮化镓(GaN)外延的两步法生长技术来生长AlGaN传统的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长方法，将镓(Ga)源、铝(Al)源等有机金属源与氮(N)源同时进入生长反应室，由于提供Al的三甲基铝(TMA)源活性非常高，在高温下容易和N源产生晶体生长中所不希望的气相预反应。而且Al原子与生长表面的粘附系数很大，在表面难以迁移，容易导致AlGaN材料的三维岛状生长。以上这些因素都将导致传统MOCVD方法所生长的AlGaN薄膜存在高密度的位错等缺陷和较大的内部张应力。随着AlGaN中掺杂浓度的增加，AlGaN材料的缺陷密度、张应力及所引起的外延层龟裂、和表面粗化等问题均愈加严重,导致生长高晶体质量AlGaN材料的难度增大。对于高Al组份AlGaN材料的生长，这些问题尤为明显。高密度的位错会导致UV-LED发光性能变差，紫外探测器的稳定性变差，从而制约了 AlGaN基光电子器件的应用与发展。目前，有关如何生长高质量的AlGaN材料及其器件结构正成为国际上宽禁带半导体材料领域的研究热点之一。美国、日本、欧洲和我国多个研究小组正在从事该领域的研究，并取得了一些进展。但高质量的AlGaN薄膜制备依然存在许多有待解决的问题，所报道的AlGaN薄膜晶体质量离高品质的器件应用还存在一定的差距。要提高AlGaN材料的晶体质量，需要克服Al原子在生长表面迁移率较低、异质外延晶格失配度较大、位错穿透等基本问题，需要从生长方法等方面进行改进。
2002年，J.P.Zhang等人采用脉冲式原子层外延生长技术在AlN缓冲层上生长出了 AlGaN材料，将其(002) (c面的晶面方向表示方法)的X射线摇摆曲线(XRC)半高宽降到了 ISarcsec，但是(102)(另外一个晶面的表示方法)的仍然很大，LED器件性能改善不大。此外，脉冲式生长AlGaN的速度比较慢，因此不可能获得很厚的AlGaN材料，很难推广AlGaN基器件的产业化应用。2010年，V.Kueller等人报道了在AIN/Sapphire上刻蚀出图形，然后在上面生长出厚度超过5 μ m的AlGaN材料，将(102)面的XRC半高宽从IOOOarcsec降低到500arcSec。虽然这样的晶体质量仍然不能满足高性能器件的要求，但是该结果表明采用图形化技术可以实现AlGaN厚膜生长，并且能够有效地降低刃位错。然而，该技术是在生长好的氮化铝(AlN)薄膜上采用刻蚀的方法刻出图形，然后进行二次生长。这样在整个工艺过程中会引入杂质等问题，而且工艺非常复杂。2011年，K.Forghani等人报道了采用氮化硅(SiNx)原位掩埋的方法，利用生长的51队来阻挡位错线向上延伸，从而提高AlGaN材料晶体质量。该方法同图形化技术相似，也是利用AlGaN材料的侧向生长技术来促进位错线弯曲或者湮灭。但是由于该技术是在AlGaN材料上沉积SiNJ^米岛。由于在SiNxI生长AlGaN的形成能较大，所以在该岛上沉积AlGaN材料困难，再加上高Al组分AlGaN材料的Al原子表面迁移率不高，所以导致AlGaN材料的表面形貌比较差，呈现出三维生长的模式。从上面的研究结果可以看出，基于图像化或这是SiNx掩埋方法的侧向生长技术都能使得AlGaN材料的晶体质量提高，并且能够释放生长过程中因晶格失配和热失配积累的应力，使得薄膜生长厚度增加，但是它们在制备工艺复杂程度和改善表面形貌方面还存在一定的缺陷。所以寻找出一种更简单实用的AlGaN材料生长技术一直是人们研究的热点和难点，也是实现AlGaN基UV-LED、紫外探测器等关键功能器件实用化和产业化的关键。发明内容
本发明目的就是在已有工艺的基础上，提出一种利用H2腐蚀和SiNx原位掩埋相结合的技术来提高AlGaN材料晶体质量的方法。
本发明的技术方案为:一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，衬底可以是蓝宝石、碳化硅、AlN等，其步骤:步骤1.在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长低温AlN成核层；步骤2.在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长高温AlN成核层；步骤3.在高温AlN本征层上，生长本征的AlGaN层；步骤4.在本征AlGaN层上，利用H2腐蚀出一定深度的位错坑；步骤5.在腐蚀后的AlGaN模板上进行SiNx原位掩埋；步骤6.在沉积了 SiNx小岛的AlGaN材料上继续生长1.5 μ m的AlGaN材料。所述的AlN成核层，其特征在于厚度为20nm左右。所述的高温AlN层，其特征在于厚度为0.6nm左右，生长温度为1100° C，表面平均粗 糙度低于0.5nm。所述的本征AlGaN，其特征在于厚度为IOOnm左右，生长温度为1000° C。所述的利用H2在AlGaN上腐蚀出一定深度的位错坑，其特征在于腐蚀过程中H2流量为2500sccm，温度在5-10min内从1000° C上升到1100° C。所述的沉积SiNx掩埋层，其特征在于沉积温度为950-1000° C，SiH4流量为500nmol/min，时间为3-5min。所述的AlGaN材料生长，其生长温度为1000° C，厚度为1.5μπι。
本发明的优点在于:(1)本发明中采用H2腐蚀的方法，在反应腔中自然形成了AlGaN图形化模板，从而避免了复杂的感应离子束刻蚀(ICP)工艺，并且还避免了因二次生长而引入杂质等问题。(2)本发明利用H2腐蚀优先发生在位错密度高的区域的特点，可以把藏于AlGaN内部的位错线暴露在外面，以便于后续SiNx选择性沉积，有利于对位错线的阻挡。(3)本发明将H2腐蚀和SiNx原位掩埋技术相结合起来，可以将SiNx小岛大部分沉积在腐蚀出的位错坑中。这样不仅可以对位错线的延伸起到阻挡作用，还能避免AlGaN材料在生长过程中因为表面迁移率低而不能使得表面很好地愈合的缺陷。


图1是本发明外延生长结构的截面示意图。
其中I为蓝宝石衬底，2为低温AlN成核层，3为高温AlN层，4为经过H2腐蚀以及SiNx沉积之后的AlGaN复合层，5为上层AlGaN外延层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例以AlGaN材料的MOCVD生长为例，具体说明本发明的AlGaN材料生长工艺过程。
参照图1，本发明的材料生长步骤如下: 步骤I，在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长低温AlN成核层。
将衬底温度降低为720° C，保持生长压力40Torr，氢气流量为3500SCCm，氨气流量为2500sccm，向反应室通入流量为0.9 μ mol/min的铝源，生长厚度为20nm的低温AlN成核层。
步骤2，在低温AlN成核层上，生长高温AlN本征层。
将生长温度升高到1100°C，保持生长压力40Torr，氢气流量为2000sccm，氨气流量为2500sccm，向反应室温入流量为3.7 μ mol/min的铝源，生长厚度为600nnT700nm高温AlN成核层。
步骤3，在高温AlN本征层上，生长本征的AlGaN层。
生长温度保持在1000°C，保持生长压力40Torr，氢气流量为2000sccm，氨气流量2500sccm,向反在室同时通入流量为4.2 μ mol/min的招源、3.8 μ mol/min的镓源，生长厚度为100nm 120nm本征AlGaN层。
步骤4，在本征AlGaN层上，利用H2腐蚀出一定深度的位错坑出来。
将Al源、Ga源以及氨气(NH3)从旁路中抽走，并将生长温度逐步上升到1100° C，控制升温的快慢及时间，腐蚀出深度大约为50nm的位错坑。
步骤5，在腐蚀后的AlGaN模板上进行SiNx原位掩埋。
生长温度保持在950-1000°C，保持生长压力40Torr，氢气流量为2000sccm，氨气流量2500sccm，向反应室同时通入流量为500nmol/min的硅烷(SiH4)。通入一段时间之后，关闭SiH4。
步骤6，在沉积了 SiNx小岛的AlGaN材料上继续生长1.5 μ m的AlGaN材料。
生长温度保持在1000°C，保持生长压力40Torr，氢气流量为2000sccm，氨气流2500sccm,向反应室同时通入流量为4.2 μ mol/min的招源、3.8 μ mol/min的镓源，生长厚度为1.5μπι的AlGaN材料。
本发明的提高AlGaN材料晶体质量的生长方法还可以推广到以硅片作为衬底的MOCVD生长工艺过程中。
权利要求
1.一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，其步骤:步骤1.在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长低温AlN成核层；步骤2.在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长高温AlN成核层；步骤3.在高温AlN本征层上，生长本征的AlGaN层；步骤4.在本征AlGaN层上，利用H2腐蚀出一定深度的位错坑；步骤5.在腐蚀后的AlGaN模板上进行SiNx原位掩埋；步骤6.在沉积了 SiNx小岛的AlGaN材料上继续生长1.5 μ m的AlGaN材料。
2.根据权利要求1所述一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，其特征在于:所述的AlN成核层厚度为20nnT25nm。
3.根据权利要求1所述一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，其特征在于:所述的高温AlN层厚度为0.6微米、.7微米，生长温度为1100° C，表面平均粗糙度低于0.5nm。
4.根据权利要求1所述一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，其特征在于:所述的本征AlGaN，厚度为100nnTl20nm，生长温度为1000° C。
5.根据权利要求1所述一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，其特征在于:所述的利用H2在AlGaN上腐蚀出一定深度的位错坑，腐蚀过程中H2流量为2500sccm，温度在 5-lOmin 内从 1000。C 上升到 1100。C。
6.根据权利要求1所述一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，其特征在于:所述的沉积SiNx掩埋层，沉积温度为950-1000° C，SiH4流量为500nmol/min，时间为3_5min。
7.根据权利要求1所述一种利用H2腐蚀和SiNx掩埋提高AlGaN材料质量的方法，其特征在于:所述的AlGaN材料生长，其生长温度为1000° C，厚度为1.5μπι。
全文摘要
本发明公开了一种提高AlGaN材料的MOCVD生长方法。该方法采用H2腐蚀AlGaN材料的方法，获得图形化的位错坑，再在此基础上沉积SiNx作为位错掩埋层，从而提高对位错弯曲和阻挡的能力，改善AlGaN材料的晶体质量。同普通的AlGaN材料ICP刻蚀图形化生长及传统的SiNx原位掩埋技术相比，该方法工艺简单，不需要二次生长。此外该方法利用H2腐蚀对缺陷的选择性，可以形成很好的位错坑，将SiNx定位于位错坑中，可以很好地提高对位错阻挡的效率，而且可以避免AlGaN材料的三维岛状生长。
文档编号H01L21/02GK103165434SQ20131003145
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者田武, 张骏, 鄢伟一, 戴江南, 陈长清 申请人:华中科技大学