本发明涉及半导体外延技术领域，具体而言，涉及一种aln外延层及其制备方法。
背景技术：
近年来，由于具备直接带隙、禁带宽且可调、耐高温、抗辐射等众多优势，algan材料在光电器件和电子器件领域展现出广阔的应用前景。从生长应变和光透过率的角度考虑，要想制备高质量的algan材料及相关器件，采用aln同质衬底和aln/蓝宝石模版衬底是较为理想的选择。现有技术中，由于缺少低成本、高质量、大尺寸的aln单晶衬底，相比于aln同质衬底来说，在廉价成熟的蓝宝石衬底上生长aln模版是该领域的主流技术路线。
然而，现阶段，在蓝宝石衬底上生长aln仍存在诸多的问题，例如，异质界面的极性控制对aln模版的外延是很大的挑战；较大的热失配和晶格失配会导致aln表面开裂和产生高密度的失配位错等，导致器件性能的严重恶化。因此，发展一种制备高质量aln模版的新方法，是制备高性能光电器件和电子器件的重要前提。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种aln外延层的制备方法，其工艺简单，操作方便，可以制备出表面平整、没有表面缺陷、单一al极性、低位错密度的aln外延层。
本发明的另一目的在于提供一种aln外延层，其采用上述aln外延层的制备方法制备得到，其具有表面平整，没有裂纹、坑、颗粒，具有单一al极性以及低错位密度的特点。
本发明的实施例是这样实现的：
一种aln外延层的制备方法，其包括：
于500～750℃下，在蓝宝石衬底上沉积aln，形成n极性隔绝层；
于850～980℃下，在n极性隔绝层上沉积aln，形成成核层；
于1000～1100℃下，在成核层上沉积aln，形成缺陷修复层；
于1200～1500℃下，在缺陷修复层上沉积aln，形成快速沉积层。
一种aln外延层，其由上述aln外延层的制备方法制备得到。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种aln外延层的制备方法，其先在较低温度下生长一层n极性隔绝层，较低温度下al原子的迁移能力较弱，结晶质量差，但可以防止形成“反形畴”(n极性aln)，从而较好的隔绝n极性，形成单一的al极性。然后，在n极性隔绝层上，于中温下形成成核层，中温下al原子的表面迁移能力提高，可以提高成核层质量。进一步提高温度，在较高温度下于成核层上再沉积一层缺陷修复层，可以在保证应变释放和位错湮灭的情况下降低点缺陷浓度。最后，继续提高温度，在高温下保持al原子的高迁移能力，以实现在缺陷修复层的基础上进行快速沉积，提高生长效率。该制备方法的工艺简单，操作方便，生长效率高，可以制备出表面平整、没有表面缺陷、单一al极性、低位错密度的aln外延层。
本发明的还提供了一种aln外延层，其采用上述aln外延层的制备方法制备得到，其具有表面平整，没有裂纹、坑、颗粒，单一al极性以及低错位密度的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1所提供的一种aln外延层的层叠结构示意图。
图标：100-aln外延层；110-蓝宝石衬底；120-n极性隔绝层；130-成核层；140-缺陷修复层；150-快速沉积层。
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，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种aln外延层及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供了一种aln外延层的制备方法，该制备方法采用金属有机物化学气相沉淀生长法(mocvd)，采用氮源和有机铝源在蓝宝石衬底表面进行化学沉积，其中，氮源为氨气，有机铝源包括tmal和teal中的至少一种。
其包括：
s1.于500～750℃下，在蓝宝石衬底上沉积aln，形成n极性隔绝层。
s2.于850～980℃下，在n极性隔绝层上沉积aln，形成成核层。
由于aln和蓝宝石之间的晶格常数和热膨胀系数差异都比较大，直接在蓝宝石上生长外延层，会造成位错密度大、表面粗糙、设置裂纹等情况，从而影响最终algan基器件的性能。现有技术中，在蓝宝石衬底的表面生长aln主要通过两步法进行，即在较低温度下生长一层很薄成核层作为缓冲，再在较高温度下，于成核层上生长所需外延层。但是，低温aln成核层受制于al原子较弱的迁移能力，结晶质量较差，而中温aln成核层相比低温aln成核层，虽然可以改善al原子的表面迁移能力，但容易形成n极性aln，同样会影响材料质量。
而在本发明实施例中，采用先在较低温度(500～750℃)下沉积aln，形成一层n极性隔绝层，再在中温(850～980℃)下于n极性隔绝层上沉积aln，形成成核层。由于在较低温度下沉积，al原子的迁移能力较弱，不会形成n极性aln，所以n极性隔绝层可以较好的保持al极性单一性。而在n极性隔绝层上继续生长成核层时，由于n极性隔绝层的作用，即使将温度升高，al原子的表面迁移率提升，也难以再形成n极性aln，从而可以在保持al极性单一性的同时，提高成核层的质量。这种较低温度下形成n极性隔绝层，再在中温下形成成核层的方式乃发明人经过自身创造性劳动得到的方案，对于提高最终产品质量具有明显的效果。同时，形成n极性隔绝层和成核层时所采用的500～750℃和850～980℃温度范围，是发明人经过进一步优化后得到的较佳温度组合，在该范围内得到的成核层不仅极性单一，而且表面质量好，易于后续在高温下继续外延生长。
优选地，形成n极性隔绝层时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为30～60。在较低的氮源/有机铝源摩尔流量比下，使有机铝的量相对富裕，能有效防止蓝宝石衬底被氮化，更易于得到al极性的aln，从而更好保持al极性的单一性。进一步地，n极性隔绝层的厚度为1～5nm。由于在低温和低氮源/有机铝源摩尔流量比下，容易形成粗糙表面，生长太厚会影响到后续外延的表面质量，经过发明人创造性劳动发现，1～5nm的n极性隔绝层即可很好的保持al极性的单一性，同时不会影响后续生长的质量。
同时，在形成成核层时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为40～200。成核层的生长同样保持在较低的氮源/有机铝源摩尔流量比下，保持有机铝的量相对富裕，避免产生混合极性aln而影响表面形貌。同时，较低的氮源/有机铝源摩尔流量比可以提高al原子在的横向迁移率，更加利于获得光滑的aln外延层。优选地，成核层的厚度为20～50nm。经过发明人的创造性劳动发现，在该厚度范围内的成核层即可保证其表面质量，利于后续在高温下快速生长。
本发明实施例所提供的一种aln外延层的制备方法，还包括：
s3.于1000～1100℃下，在成核层上沉积aln，形成缺陷修复层。
发明人在经过创造性劳动之后发现，在形成成核层之后，若直接在高温下进行快速生长，不能充分弛豫应变和有效湮灭贯穿位错。为次，发明人在进行快速生长前，先在成核层上沉积一层缺陷修复层，该缺陷修复层可以在保证应变释放和位错湮灭的情况下，有效降低点缺陷浓度，从而为后续的高温快速生长过程打下基础，利于获得较高质量的aln外延层。1000～1100℃的温度范围，是经过发明人优化后的结果，在该温度范围内进行缺陷修复的效果更佳。
进一步地，形成缺陷修复层时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为1000～4000。采用较高的氮源/有机铝源摩尔流量比可以使aln转变为岛状模式生长，创造出“多面生长模式”，从而更好的让应变得以释放和对位错进行湮灭，更为有效地降低点缺陷浓度。优选地，缺陷修复层的厚度为100～800nm。经过发明人的创造性劳动发现，在该厚度范围内，应变释放和位错湮灭的情况较佳，表面质量好，更利于后续aln的快速生长。
本发明实施例所提供的一种aln外延层的制备方法，还包括：
s4.于1200～1500℃下，在缺陷修复层上沉积aln，形成快速沉积层。
在高温下，可以极大增强al原子的表面迁移能力，使aln可以维持高速的二维生长，在保证晶体质量的同时，大大提高生长效率。进一步地，在进行高温快速沉积时，所采用的氮源和有机铝源的摩尔流量比为100～300。经过发明人的创造性劳动发现，在该摩尔流量比范围，氮源和有机铝源配比适宜，能够实现aln的快速生长。在该条件下进行高温快速沉积，沉积速率可以达到2μm/h以上，快速沉积层的厚度可以生长至1000nm以上，并且依然保持较高的晶体质量。
本发明实施例所提供的一种aln外延层的制备方法，还包括：在蓝宝石衬底上沉积aln之前，先采用有机铝源对蓝宝石衬底进行预处理。预处理可以提高蓝宝石衬底的表面平整度，并且利于保证单一al极性。优选地，进行预处理时，有机铝源的流量为10～30sccm；优选地，预处理时间小于10s。经过发明人的创造性劳动发现，在该条件下，预处理的效果较佳。
进一步地，本发明实施例所提供的一种aln外延层的制备方法，还包括：在对蓝宝石衬底进行预处理之前，先将蓝宝石衬底于850～950℃下进行烘烤。优选地，烘烤时间为200～400s。对蓝宝石衬底进行烘烤可以除去蓝宝石衬底表面的杂质，保持蓝宝石衬底表面的平整度，从而更好的生长aln外延层。
同时，经过发明人的创造性劳动发现，传统工艺中，对衬底的烘烤温度通常在1080～1150℃，容易造成aln外延层重复性差，影响相关器件可靠性。基于此，发明人采用较低的温度以及较短的时间，可以有效提高aln生长的可重复性。
优选地，整个aln外延层的制备过程均在压力为40～100mbar下进行。相对于常压环境来说，aln在低压下的沉积速率较快，从而可以采用较低的生长温度，减少有机铝分解沉积等副反应的发生，利于获得更高品质的aln外延层。
本发明实施例还提供了一种aln外延层，其采用上述aln外延层的制备制备得到，其具有表面平整，没有裂纹、坑、颗粒，具有单一al极性以及低错位密度的特点。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种al外延层100及其制备方法，该al外延层100的层叠结构如图1所示，所采用的仪器为aixtron3×2”ftccsmocvd，衬底为offcut为ctom轴0.2度的2英寸(0001)面蓝宝石衬底110，载气为氢气，氮源为氨气，有机铝源为tmal。
s1.通入氢气，在反应室压力为75mbar的情况下，于900℃下对蓝宝石衬底110烘烤300s。
s2降温到650℃，在反应室压力为50mbar的情况下，预铺tmal2s，源流量为22sccm。
s3.在650℃，反应室压力为50mbar的情况下，于蓝宝石衬底110上生长2nm的n极性隔绝层120。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为50。
s4.升温到900℃，在反应室压力为50mbar的情况下，于n极性隔绝层120上生长30nm的成核层130。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为70。
s5.升温到1070℃，在反应室压力为50mbar的情况下，于成核层130上生长380nm的缺陷修复层140。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为2500。
s6.升温到1250℃，在反应室压力为50mbar的情况下，以2μm/h的生长速率，于缺陷修复层140上生长1900nm的快速沉积层150。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为200，得到aln外延层100。
本实施例所得到的aln外延层100，在2英寸范围内为单一的al极性，其表面平整，其xrd(002)和(102)面摇摆曲线半宽分别低于300和450arcsec。
实施例2
本实施例提供了一种al外延层及其制备方法，所采用的仪器为aixtron3×2”ftccsmocvd，衬底为offcut为ctom轴0.2度的2英寸(0001)面蓝宝石衬底，载气为氢气，氮源为氨气，有机铝源为tmal。
s1.通入氢气，在反应室压力为100mbar的情况下，于930℃下对蓝宝石衬底烘烤200s。
s2降温到650℃，在反应室压力为50mbar的情况下，预铺tmal5s，源流量为15sccm。
s3.在650℃，反应室压力为50mbar的情况下，生长5nm的n极性隔绝层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为35。
s4.升温到930℃，在反应室压力为50mbar的情况下，生长40nm的成核层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为100。
s5.升温到1090℃，在反应室压力为50mbar的情况下，生长600nm的缺陷修复层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为3000。
s6.升温到1350℃，在反应室压力为50mbar的情况下，以3μm/h的生长速率，生长2500nm的快速沉积层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为200，得到aln外延层。
本实施例所得到的aln外延层，在2英寸范围内为单一的al极性，其表面平整，其xrd(002)和(102)面摇摆曲线半宽分别低于300和450arcsec。
实施例3
本实施例提供了一种al外延层及其制备方法，所采用的仪器为aixtron3×2”ftccsmocvd，衬底为offcut为ctom轴0.2度的2英寸(0001)面蓝宝石衬底，载气为氢气，氮源为氨气，有机铝源为teal。
s1.通入氢气，在反应室压力为100mbar的情况下，于850℃下对蓝宝石衬底烘烤400s。
s2降温到500℃，在反应室压力为40mbar的情况下，预铺teal5s，源流量为15sccm。
s3.在500℃，反应室压力为40mbar的情况下，生长1nm的n极性隔绝层。其中，氨气和teal的摩尔流量比为30。
s4.升温到850℃，在反应室压力为40mbar的情况下，生长20nm的成核层。其中，氨气和teal的摩尔流量比为40。
s5.升温到1000℃，在反应室压力为40mbar的情况下，生长100nm的缺陷修复层。其中，氨气和teal的摩尔流量比为1000。
s6.升温到1200℃，在反应室压力为40mbar的情况下，以3μm/h的生长速率，生长1000nm的快速沉积层。其中，氨气和teal的摩尔流量比为100，得到aln外延层。
本实施例所得到的aln外延层，在2英寸范围内为单一的al极性，其表面平整，其xrd(002)和(102)面摇摆曲线半宽分别低于300和450arcsec。
实施例4
本实施例提供了一种al外延层及其制备方法，所采用的仪器为aixtron3×2”ftccsmocvd，衬底为offcut为ctom轴0.2度的2英寸(0001)面蓝宝石衬底，载气为氢气，氮源为氨气，有机铝源为tmal。
s1.通入氢气，在反应室压力为100mbar的情况下，于950℃下对蓝宝石衬底烘烤200s。
s2降温到750℃，在反应室压力为50mbar的情况下，预铺tmal5s，源流量为30sccm。
s3.在750℃，反应室压力为50mbar的情况下，生长3nm的n极性隔绝层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为60。
s4.升温到980℃，在反应室压力为50mbar的情况下，生长50nm的成核层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为200。
s5.升温到1100℃，在反应室压力为50mbar的情况下，生长800nm的缺陷修复层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为4000。
s6.升温到1500℃，在反应室压力为50mbar的情况下，以2μm/h的生长速率，生长3000nm的快速沉积层。其中，氨气和tmal的摩尔流量比为300，得到aln外延层。
本实施例所得到的aln外延层，在2英寸范围内为单一的al极性，其表面平整，其xrd(002)和(102)面摇摆曲线半宽分别低于300和450arcsec。
综上所述，本发明实施例提供了一种aln外延层的制备方法，其先在较低温度下生长一层n极性隔绝层，较低温度下al原子的迁移能力较弱，结晶质量差，但可以防止形成“反形畴”(n极性aln)，从而较好的隔绝n极性，形成单一的al极性。然后，在n极性隔绝层上，于中温下形成成核层，中温下al原子的表面迁移能力提高，可以提高成核层质量。进一步提高温度，在较高温度下于成核层上再沉积一层缺陷修复层，可以在保证应变释放和位错湮灭的情况下降低点缺陷浓度。最后，继续提高温度，在高温下保持al原子的高迁移能力，以实现在缺陷修复层的基础上进行快速沉积，提高生长效率。该制备方法的工艺简单，操作方便，生长效率高，可以制备出表面平整、没有表面缺陷、单一al极性、低位错密度的aln外延层。
本发明的还提供了一种aln外延层，其采用上述aln外延层的制备方法制备得到，其具有表面平整，没有裂纹、坑、颗粒，单一al极性以及低错位密度的特点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。