技术领域
本发明涉及半导体外延生长技术领域，尤其涉及一种高质量AlN外延层的制备方法。
背景技术：
由于具有直接带隙、禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐射能力强等优势，AlGaN基材料在光电器件以及电子器件领域有着广泛的应用前景。但是由于缺乏高质量低价格的大尺寸同质衬底，目前的AlGaN材料大多采用蓝宝石、SiC或者Si作为衬底进行异质外延制备。但是AlGaN材料与衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，使得AlGaN外延层产生较大的张应力，而且AlGaN外延层在生长过程中也会产生张应力，不断累积的张应力使得最终制备的AlGaN外延层出现龟裂，极大制约了其实际应用。另一方面，由于AlN材料的晶格常数小于AlGaN，在AlN材料上生长的AlGaN外延层受到底层AlN的压应力，可消除AlGaN生长过程中产生的张应力，提高AlGaN材料的晶体质量。为了缓解III族氮化物与衬底之间巨大的晶格失配与热失配，通常在生长开始阶段首先沉积一层低温成核层。低温成核层的晶粒尺寸对III族氮化物的结晶质量和表面形貌有着非常重要的影响。成核层晶粒尺寸过小的情况下，在晶粒愈合过程中于晶界处产生大量的位错，导致结晶质量的下降；成核层晶粒尺寸过大的情况下，生成的具有自主取向的晶粒会导致III族氮化物外延层晶体取向的不一致。此外，在迁移原子扩散长度较小的情况下，过小或者过大的晶粒尺寸容易造成晶粒的愈合困难，导致最终制备的外延层表面存在难以愈合的小凹坑。通常情况下，可以通过改变生长温度、反应前驱体流量、生长时间（厚度）或者气压等参数对成核层晶粒尺寸进行调节。但是这些参数同时也会对成核层的生长速率与结晶质量等产生明显的影响，通常需要多个参数联动调节，实验复杂、耗时长。因此需要发展一种更加高效直接的成核层调节技术，以提高AlN外延层的结晶质量。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高质量AlN外延层的制备方法，具体是一种高效直接的成核层调节技术，能够提高AlN外延层的结晶质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高质量AlN外延层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将置于反应腔中的衬底进行高温烘烤，用于清洁衬底表面，同时在衬底表面形成利于外延生长的台阶；
（2）在进行高温烘烤后的衬底上预铺TMAl或者TEAl；
（3）沉积一层低温成核层，其中在低温成核层沉积阶段通入表面迁移改善剂以调节成核层晶粒的尺寸；
（4）升温退火；
（5）高温生长AlN外延层。
优选的，AlN外延层的外延生长方法为金属有机化学气相沉积法（MOCVD）。
优选的，步骤（2）中预铺TMAl或者TEAl的流量为1 ~ 20 μmol/min，预铺时间为2 ~ 10秒。
优选的，步骤（3）中的表面迁移改善剂为TMGa、TEGa、TMIn或TEIn中的一种或多种。
优选的，表面迁移改善剂的通入流量与III族反应源（III族反应源指的是提供III族元素的反应源，例如生长AlN时，III族反应源指的就是提供Al元素的反应源，有TMAl、TEAl等）的摩尔流量比为1：10 ~ 1：50。
优选的，所述表面迁移改善剂通过脉冲的方式通入反应腔，脉冲周期为1~20，每个周期内表面迁移改善剂的通入时间为1秒~10秒，断开时间为1秒~50秒。
优选的，所述步骤（3）中的低温成核层的厚度为5 nm ~ 30 nm。
优选的，所述步骤（3）中的低温成核层的生长温度为500℃ ~ 980℃。
优选的，所述步骤（5）中的AlN高温层采用NH3脉冲的方式进行生长，脉冲周期为200 ~ 2000。每个周期内NH3的通入时间为2秒~10秒，断开时间为2秒~20秒。
优选的，所述步骤（5）中的AlN高温层的生长温度为1000 ℃ ~ 1500℃。
相比现有技术，本发明的技术方案对于AlN成核层的调节具有更加高效直接的特点。通过在成核层阶段通入少量的表面迁移改善剂，能够改善扩散原子Al的迁移能力，从而改变AlN的成核晶粒状态。相比现有技术，该方法能够规避成核层温度和反应源流量调节带来的其他附加影响，调节过程更加简单，改善效果非常明显。而且引入的表面迁移改善剂能够促进扩散原子Al的后续迁移能力，增强二维生长，提高结晶质量，改善样品表面形貌，抑制表面凹坑的形成。
附图说明
图1是外延生长结构与反应源通入示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
（1）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备进行制备，将（0001）面蓝宝石衬底置于反应腔中，在H2环境下升温至1050 ℃高温烘烤10 min，清洁衬底表面。并且利用H2高温刻蚀蓝宝石表面，形成利于生长的台阶。
（2）在780 ℃下沉积厚度为10 nm的AlN成核层，分别采用氨气（NH3）与三甲基铝（TMAl）作为N源和Al源，载气为H2。其中，在生长开始阶段通入2个周期的三甲基镓（TMGa）脉冲，TMGa流量为8.8 μmol/min，以通入2秒，断开10秒为一个周期。
（3）在5分钟内升温至1080 ℃，并稳定20秒。
（4）采用NH3脉冲法在1080 ℃下高温生长厚度为300 nm的AlN外延层。所述NH3脉冲法是指生长过程中提供Al源的TMAl保持一直通入，而提供N源的NH3采用脉冲通入的方法。采用该方法能有效降低V族源与III族源的摩尔流量比，提高Al原子在反应界面的扩散能力，促进AlN外延层的二维生长。以NH3通入4秒，断开10秒为一个脉冲周期，生长350周期，最后制备得到厚度为300 nm的AlN外延层。
通过通入2个周期的TMGa脉冲，AlN成核层得到有效的调节，制备得到的AlN外延层在原子力显微镜（AFM）下观察到清晰的生长台阶，表面凹坑得到显著的抑制，表面粗糙度均方根值（RMS）低于1 nm。X射线衍射（XRD）ω扫描得到（00.2）面与（10.5）面的摇摆曲线半高宽分别为79弧秒与447弧秒，具有非常高的结晶质量与光滑的表面。
实施例2
（1）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备进行制备，将（0001）面蓝宝石衬底置于反应腔中，在H2环境下升温至1100 ℃高温烘烤5 min，清洁衬底表面。并且利用H2高温刻蚀蓝宝石表面，形成利于生长的台阶。
（2）在650 ℃下沉积厚度为30 nm的AlN成核层，分别采用NH3与TMAl作为N源和Al源，载气为H2。其中，在生长开始阶段通入4个周期的三乙基镓（TEGa）脉冲，TEGa流量为0.97 μmol/min，以通入4秒，断开16秒为一个周期。
（3）在4分钟内升温至1050℃，并稳定10秒。
（4）采用NH3脉冲法在1050 ℃下高温生长厚度为500 nm的AlN外延层。所述NH3脉冲法是指生长过程中提供Al源的TMAl保持一直通入，而提供N源的NH3采用脉冲通入的方法。采用该方法能有效降低V族源与III族源的摩尔流量比，提高Al原子在反应界面的扩散能力，促进AlN外延层的二维生长。以NH3通入5秒，断开12秒为一个脉冲周期，生长500周期，最后制备得到厚度为500 nm的AlN外延层。
实施例2通过通入TEGa对AlN成核层进行调节，制备得到的AlN外延层在原子力显微镜（AFM）下观察到表面凹坑被明显抑制，呈现出清晰的生长台阶。X射线衍射（XRD）ω扫描得到（00.2）面与（10.5）面的摇摆曲线半高宽分别低于80弧秒与800弧秒，具有非常低的位错密度。
实施例3
（1）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备进行制备，将（0001）面蓝宝石衬底置于反应腔中，在H2环境下升温至1100 ℃高温烘烤10 min，清洁衬底表面。并且利用H2高温刻蚀蓝宝石表面，形成利于生长的台阶。
（2）在900 ℃下沉积厚度为30 nm的AlN成核层，分别采用NH3与TMAl作为N源和Al源，载气为H2。其中，在生长开始阶段通入4个周期的三乙基铟（TEIn）脉冲，TEIn流量为0.97 μmol/min，以通入10秒，断开6秒为一个周期。
（3）在3分钟内升温至1100℃，并稳定10秒。
（4）采用与上述实施例相同的NH3脉冲法在1100 ℃下高温生长1000个周期，最终得到厚度为1 μm的AlN外延层。
实施例3通过脉冲通入TEIn对AlN成核层进行调节，制备得到的AlN外延层在原子力显微镜（AFM）下可观察到清晰的生长台阶。X射线衍射（XRD）ω扫描得到（00.2）面与（10.5）面的摇摆曲线半高宽分别可低于100弧秒与800弧秒，具有非常低的位错密度。
综上所述，本发明提供了一种AlN成核层的调节方法；该方法直接高效，调节简单。采用该方法可制备得到高质量的AlN薄膜。
最后应该说明的是，以上所述为较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。