专利名称：AlGaN薄膜材料及其生长方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及氮化物半导体材料，用于制作氮化物半导 体电子和光电器件。
背景技术：
in-v族氮化物半导体是非常理想的制作光电器件的材料，其发光波长可以 从绿光、蓝光、 一直到深紫外光。目前，由ni-v族氮化物半导体材料制作的蓝、
绿光LED在市场应用方面获得了巨大的成功。然而，对于波长小于350nm的深 紫外LED器件在研究阶段进展缓慢，这主要是因为制作深紫外光LED材料所需 的高质量、无裂纹的高Al组份AlGaN材料生长很难获得。对于异质外延的半导 体材料来讲，应力的控制是获得高质量AlGaN材料的关键。针对这个问题，不 同的研究者采用了不同的方法。Kamiyama等人采用低温A1N层插入层来控制生 长于GaN基板上的AlGaN薄膜中的张应力，参见S.Kamiyama， M，Sawaki,et.al. J.Cryst.Growth 223(2001)83.。Han等人采用低温AlGaN的周期性插入有效缓解了 AlGaN薄膜中的应力，参见J. Han, K. E. Waldrip, S. R. Lee， J. J. Figiel， S. J. Heame， G A. Petersen and S. M. Myers, ^^/.尸/j"丄e". 78(2001) 83 。 Bykhovsky等人和 Zhang J.P等人分别采用GaN/AlN以及GaN/AlGaN的超晶格结构来缓解薄膜中 的张应力，参见A. D. Bykhovski, B. L Gelmont and M. S. Shur. J. Appl. Phys. 81(1997) 6332.和J. P. Zhang, H. M. Wang, M. E. Gaevski, C. Q. Chen， Q, Fareed, J. W. Yang, G. Simin and M. A. Khan. Appl. Phys, Lett. 80(2002) 3542.。这几种方法的 共同点是引入压应力来缓解生长于GaN基板或者直接在蓝宝石衬底上生长的 AlGaN薄膜中的张应力，以避免裂纹的出现。而Khan等人采用脉冲法首先生长 一层高质量A1N,然后再生长AlGaN薄膜，参见M. A. Khan, J. N. Kuznia, R. A. Skogman， D. T. Olson， M. Macmillan and W. J. Choyke. Appl. Phys. Lett. 61(1992) 2539.，这种方法的特点是在AIN上外延AlGaN薄膜，由于AIN的晶格常数小于 AlGaN， AlGaN薄膜在生长时就会受到了 A1N层施加的压应力作用，因而不会 有裂纹的出现。由此可见，AIN层可以为AlGaN薄膜的生长提供足够的压应力 作用而避免裂纹的出现。然而，对于不同Al组份的AlGaN材料，其所需要引入的压应力的大小是不一样的，若AlGaN和A1N之间的晶格失配太大，此时AlGaN 薄膜受到的AIN层施加的压应力就太大，过大的压应力会降低AlGaN材料的生 长质量。
发明内容
本发明的目的在于克服以上技术的缺点，提出了一种AlGaN薄膜材料及其 生长方法，以有效调控材料生长中的应力，提高AlGaN材料的生长质量。
为实现上述目的，本发明提供的AlGaN薄膜包括:衬底，低温AIN缓冲层， 高温AIN基板层，目标AlYGa,-YN层，其特征在于高温AIN基板层与目标AlYGai-YN 层之间插入有AlxGa卜xN插入层。
所述的目标AlYGai-YN层的Al组份Y值为0. 1《Y《0. 8;所述的AlxGa卜xN 插入层的Al组份X值为0〈X〈Y。
为实现上述目的，本发明提供的薄膜材料生长方法，有以下两种 生长方法一，包括如下步骤
(1) 在蓝宝石衬底上生长5-20nm的低温AIN缓冲层，生长低温温度为550°C 一700。C;
(2) 在低温A1N缓冲层上，生长20nm—5um的高温AlN基板层，生长高温温 度为1000°C_1200°C;
(3) 在高温A1N基板层上，生长AlxGa卜xN插入层，插入层的Al组份低于目 标AlYGai—YN层的Al组份，插入层生长温度为900°C —1200°C，生长厚度为5nm 一300nm;
(4) 在AlxGa卜xN插入层上，生长目标AlYGawN层，生长温度为900°C —1200 °C，生长厚度为lOOnm—lOy m。
生长方法二，包括如下步骤
1) 在碳化硅衬底上生长2-10nm的低温AIN缓冲层，生长低温温度为550°C 一700。C;
2) 在低温AIN缓冲层上，生长20nm—5 u m的高温AIN基板层，生长高温温 度为1000°C — 1200°C;
3) 在高温AIN基板层上，生长AlxGai-xN插入层，插入层的Al组份低于目 标AlYGai—YN层的Al组份，插入层生长温度为900°C — 1200°C ，生长厚度为5nm 一300nm;4)在AlxGa,-xN插入层上，生长目标AlyGa卜YN薄膜，生长温度为900°C_1200 。C，生长厚度为100nm—10y m。
本发明由于在AlN基板层和所要制备的目标AiYGa卜YN层间插入了一层用以调 节应力的ALGa,-xN插入层，因而具有如下优点
1. 为整个材料外延的多层体系中引入了面内张应力的作用，该张应力有效的 抵消了AlN基板与目标AlYGa,-YN层之间由于晶格失配而产生的过大的面内压应力 作用，使得材料中的张应力和压应力保持平衡，从而提高目标ALGawN层的材料 质量；
2. 方法简单，AlxGai-xN插入层的生长条件与目标AlyGa卜yN层的生长条件基本 一致，只需改变A1、 Ga组份比即可完成AlxGa卜xN插入层的生长。
3. AlxGai-xN插入层的引入还能够有效地减少材料中的缺陷。
图l是本发明提供的AlxGa卜xN插入层的结构示意图； 图2是本发明在蓝宝石衬底上生长AlxGai-xN材料的过程示意图； 图3是本发明在碳化硅衬底上生长AlxGa卜xN材料的过程示意图。
具体实施例方式
参照图1，本发明中的薄膜包括衬底，低温A1N缓冲层，高温A1N基板层， AlxGa卜xN插入层和目标AlYGa卜YN层。其中最下面为衬底，最上面为目标AlYGai-YN 层，衬底上为低温A1N缓冲层，低温缓冲层上为高温A1N基板层，AlxGa卜xN插入 层位于高温A1N基板层与目标AlyGawN层之间。该目标AlYGai-YN层的Al组份Y 值为0. 1《Y《0.8。该AlxGa,-xN插入层的Al组份X值为0<X<Y。
参照图2，本发明给出以下在蓝宝石衬底上生长AlGaN薄膜材料的三种实施
例
实例1，基于蓝宝石衬底的AlxGai-xN(X=0. l)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气作 为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下
步骤一，在蓝宝石衬底上生长5nm的低温A1N缓冲层，
首先将衬底温度加热到IOO(TC，在氮气气氛中对衬底进行氮化处理5分钟； 然后开始材料的生长，生长低温温度为550'C，反应室压力为40Torr，在蓝宝石 衬底上生长出5nm的低温A1N缓冲层；步骤二，在低温A1N缓冲层上，在高温温度为1000°C，反应室压力为40Torr 的条件下生长20nm的高温A1N基板层；
步骤三，在高温A1N基板层上，生长5nm的AlYGawN(Yz0.05)插入层，该 插入层的生长温度为IOOO'C，反应室压力为40Torr;
步骤四，在Alo.o5Gao.95N插入层上，生长10u m的目标AlxGai-xN(X=0. l)层， 生长温度为90(TC，反应室压力为40Torr。
实例2，基于蓝宝石衬底的AlxGai-xN(X=0. 3)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气作 为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下
步骤一，在蓝宝石衬底上生长5nm的低温AlN缓冲层，
首先将衬底温度加热到IOOO'C，在氮气气氛中对衬底进行氮化处理5分钟； 然后开始材料的生长，在低温温度为600°C，反应室压力为40Torr的工艺条件下， 在蓝宝石衬底上生长10nm的低温A1N缓冲层；
步骤二，在低温A1N缓冲层上，生长80nm的高温AlN基板层，生长高温温 度为1050。C，反应室压力为40Torr;
步骤三，在高温A1N基板层上，生长300nm的AlYGa!.YN(Y^.2)插入层， 生长温度为90(TC，反应室压力为40Torr;
步骤四，在Alo.3Gao.7N插入层上，生长5um的目标AlxGa卜xN(X^.3)层，生 长温度为107(TC，反应室压力为40Torr。
实例3，基于蓝宝石衬底的AlxGai-xN (X=0. 8)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气、 三甲基铝、三乙基镓分别作为氮源、铝源和镓源，氢气为载气。生长步骤如下
步骤一，在蓝宝石衬底上生长20nm的低温AlN缓冲层；
首先将衬底温度加热到IOO(TC，在氮气气氛中对衬底进行氮化处理5分钟； 然后在低温温度为700°C，反应室压力为40Torr的条件下，生长出20nm的低温 A1N缓冲层
步骤二，在低温A1N缓冲层上，生长5um的高温AlN基板层，生长高温温 度为1200。C，反应室压力为40Torr;
步骤三，在高温A1N基板层上，生长10nm的AlYGawN(Y-0.7)插入层，生 长温度为1200'C，反应室压力为40Torr。步骤四，在Al0.2Gao.8N插入层上，生长IOO咖的目标AlxGa,-xN(X=0. 8)层， 生长温度为120(TC，反应室压力为40Torr。
参照图3，本发明给出以下在碳化硅衬底上生长AlGaN薄膜材料的三种实施
例
实例1，基于碳化硅衬底的AlxGai-xN(X=0. 2)薄膜材料的生长。 该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气 作为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如
下
步骤l，在碳化硅衬底上生长2nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为550 'C，反应室压力为40Torr;
步骤2，在低温A1N缓冲层上，生长20nm的高温A1N基板层，生长高温温 度为100(TC,反应室压力为40Torr;
步骤3，在高温A1N基板层上，生长300nm的AlyGaLYN(Y^.15)插入层， 生长温度为90(TC，反应室压力为40Torr;
步骤4，在Al(U5Gao.85N插入层上，生长10y m的目标AlxGai—xN(X=0. 2)层， 生长温度为900。C，反应室压力为40Torr。
实例2,基于碳化硅衬底的AlxGai-xN(X=0. 45)薄膜材料的生长。
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积MOCVD法，蓝宝石为衬底，氨气作 为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下
步骤l，在碳化硅衬底上生长5nm的低温AlN缓冲层，生长低温温度为650 'C，反应室压力为40Torr;
步骤2,在低温A1N缓冲层上，生长200nm的高温AlN基板层，生长高温温 度为1100。C，反应室压力为40Torr;
步骤3，在高温A1N基板层上，生长100nm的AlYGaLyN(Y^.35)插入层， 生长温度为1060。C，反应室压力为40Torr;
步骤4，在AlYGa!-YN(Y^.35)插入层上，生长4 u m的目标AlxGai—xN (X=0. 45) 层，生长温度为108(TC，反应室压力为40Torr。
实例3，基于碳化硅衬底的AlxGa,-xN(X=0. 7)薄膜材料的生长
该材料生长采用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)法，蓝宝石为衬底，氨 气作为氮源，三甲基铝作为铝源，三乙基镓作为镓源，氢气作为载气。生长步骤如下
步骤1，在碳化硅衬底上,生长10nm的低温A1N缓冲层，生长低温温度为700 °C，反应室压力为40Torr;
步骤2，在低温A1N缓冲层上，生长5nm的高温AlN基板层，生长高温温 度为120(TC，反应室压力为40Torr;
步骤3，在高温A1N基板层上，生长5nm的AlYGa^N(Y-0.6)插入层，生 长温度为1200'C，反应室压力为40Torr。
步骤4，在AlYGa^N(Yi.6)插入层上，生长100nm的目标AlxGai-xN(X=0. 7) 层，生长温度为1200。C，反应室压力为40Torr。
实验表明，本发明所采用生长方法能有效调控不同Al组份的AlGaN薄膜材 料在生长过程中的应力，提高了 AlGaN薄膜材料的生长质量。
9
权利要求
1.一种AlGaN薄膜材料，包括衬底，低温AlN缓冲层，高温AlN基板层，目标AlYGa1-YN层，其特征在于高温AlN基板层与目标AlYGa1-YN层之间插入有AlXGa1-XN插入层。
2. 按照权利要求1所述的AlGaN薄膜，其特征在于目标AlyGawN层的Al组份 Y值为0. 1《Y《0.8。
3. 按照权利要求l所述的AlGaN薄膜，其特征在于AlxGa卜xN插入层的Al组份 X值为0〈X〈Y。
4. 一种AlGaN薄膜的生长方法，包括如下步骤(1) 在蓝宝石衬底上,生长5-20nm的低温A1N缓冲层，生长低温温度为550。C一 700 。C;(2) 在低温A1N缓冲层上，生长20nm—5ym的高温AlN基板层，生长高温温度 为1000。C一1200。C;(3) 在高温A1N基板层上，生长AlxGa卜xN插入层，插入层的A1组份低于目标 AlYGa卜yN层的Al组份，插入层生长温度为900。C一1200。C，生长厚度为5nm—300nm;(4) 在AlxGa卜xN插入层上，生长目标AlYGa』层，生长温度为900。C— 1200。C， 生长厚度为100nm—10ym。
5. 根据权利要求4所述的AlGaN薄膜的生长方法，其中步骤(3)所述的在高温 A1N基板层上，生长AlxGa卜xN插入层，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD 法。
6. 根据权利要求4所述的AlGaN薄膜的生长方法，其中步骤(4)所述的在AlxGai-xN 插入层上，生长目标AlYGai-YN薄膜，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD法。
7. —种AlGaN薄膜的生长方法，包括如下步骤1) 在碳化硅衬底上,生长2-10nm的低温A1N缓冲层，生长低温温度为550'C — 700°C;2) 在低温A1N缓冲层上，生长20nm—5um的高温AlN基板层，生长高温温度 为1000。C一1200。C;3) 在高温A1N基板层上，生长AlxGawN插入层，插入层的Al组份低于目标AlyGawN层的Al组份，插入层生长温度为900°C _ 1200°C ，生长厚度为5nm—300nm;4)在AlxGa卜xN插入层上，生长目标AlyGawN薄膜，生长温度为900。C一1200 。C，生长厚度为100nm_10um 。
8. 根据权利要求7所述的AlGaN薄膜的生长方法，其中步骤3)所述的在高温 A1N基板层上，生长AlxGa,-xN插入层，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD 法。
9. 根据权利要求7所述的AlGaN薄膜的生长方法,其中步骤4)所述的在AlxGai_xN 插入层上，生长目标AlyGa卜YN薄膜，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD法。
全文摘要
本发明提出了一种AlGaN薄膜材料，主要解决目前高质量AlGaN薄膜材料生长困难的问题。它包括衬底、低温AlN缓冲层、高温AlN基板层和目标Al<sub>Y</sub>Ga<sub>1-Y</sub>N层，该目标Al<sub>Y</sub>Ga<sub>1-Y</sub>N层的Al组份Y值为0.1≤Y≤0.8；其特征是在高温AlN基板层与目标Al<sub>Y</sub>Ga<sub>1-Y</sub>N层之间插入有Al<sub>X</sub>Ga<sub>1-X</sub>N插入层，该Al<sub>X</sub>Ga<sub>1-X</sub>N插入层的Al组份X值为0＜X＜Y。所述薄膜材料的生长采用金属有机化合物气相沉积MOCVD法，在蓝宝石或者碳化硅衬底上，先生长低温AlN缓冲层及高温AlN基板层，再生长Al<sub>X</sub>Ga<sub>1-X</sub>N插入层，最后生长所需Al组分的目标Al<sub>Y</sub>Ga<sub>1-Y</sub>N层。本发明能有效调控薄膜生长过程中的应力，使得材料中的张应力和压应力保持平衡，提高了目标Al<sub>Y</sub>Ga<sub>1-Y</sub>N层的材料质量，可用于制作紫外、深紫外的半导体光电器件。
文档编号C30B25/00GK101538740SQ20091002162
公开日2009年9月23日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者周小伟, 李培咸, 跃 郝 申请人:西安电子科技大学