N外延薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子材料制备领域，具体地，涉及一种基于金属有机物化学气相沉积技术制备高晶体质量高Al组分低位错密度AlxGa1 XN外延薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，在医疗、杀菌、印刷、数据存储等民用市场需求和深紫外探测以及保密通讯等军用需求的牵引下，以高Al组分AlxGa1 XN(A1组分大于0.4，简称高Al-AlxGa1 XN)为基础的光电子器件，包括深紫外(DUV)发光和探测器件引起了极大的重视。然而，要研制高性能的深紫外发光和探测器件，制备高晶体质量的高Al-AlxGa1 XN外延薄膜是必须满足的前提和基础。从材料的制备角度来讲，制备高质量AlxGa1 XN的最佳模板材料是A1N。然而，由于商业化的AlN单晶衬底价格昂贵、难以获得，国际上一般采用的AlN模板都在(0001)面蓝宝石衬底上异质外延获得。由于AlN和蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配，导致采用这种方法获得的AlN中产生大量的贯穿位错(19-1OwCm2K对于AlxGa1 XN光电子器件结构而言，AlN中的大量贯穿位错会大量延伸至有源区，极大的破坏器件工作机制。以DUV发光二极管为例，其结构主要包括蓝宝石衬底、AlN模板、高Al-AlxGa1 XN层(包括η型高Al-AlxGa1 ΧΝ层)、高Al-AlxGa1 ΧΝ基量子阱结构有源层、以及高Al-AlxGa1 ΧΝ ρ型层。量子阱中的位错密度决定于AlxGa1 ΧΝ的质量，而AlxGa1 ΧΝ中的位错密度又受制于AlN模板。因此，要想获得高光效的DUV发光器件，必须发展表面平整和低位错密度的AlxGa1少外延制备方法。
[0003]现在一般采用的技术路线中，AlxGa1 ΧΝ的制备流程一般分为以下几个阶段(以在
(0001)面蓝宝石衬底上采用MOCVD生长为例):一、生长AlN模板，包括(I)烘烤阶段:氢气(H2)氛围下高温烘烤衬底，(2)生长AlN成核阶段，(3)高温外延生长AlN模板；二、生长AlxGalxN外延层。由于前述AlN和蓝宝石衬底之间较大的晶格失配以及由于AlN的高键能，很难完全剪裁AlN的生长行为，使得制备的AlN模板中一般有大量的贯穿位错，会贯穿至后续生长的AlxGa1 ΧΝ层中。虽然可以采用一定的措施，例如在AlN模板和AlxGa1 ΧΝ外延层中插入AlxGa1 ,NAlyGa1 yN、AlxGa1 XN/A1N超晶格以在一定程度上过滤位错，减少延伸至AlxGa1 XN中的贯穿位错，但是仍然不能从根本上减少AlxGa1 XN中的位错密度，从而使得这种方式得到的产品效果有限。
[0004]因此，提供一种能制得低位错密度的AlxGa1 XN外延薄膜的制备方法是本发明亟需解决的问题。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术，本发明的目的在于克服现有技术在制备AlxGa1 XN外延层和AlN外延层时往往因制得的AlN模板中有大量的贯穿位错，且其会贯穿至后续生长的AlxGa1 XN层或是AlN层，因而无法从根本上减少AlxGa1 XN中的位错密度的问题，从而提供一种能制得低位错密度的AlxGa1 XN外延薄膜的制备方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供了一种低位错密度AlxGalxN外延薄膜的制备方法，其中，所述制备方法包括:
[0007]I)在衬底上外延生长AlN薄膜；
[0008]2)将上述制得的AlN薄膜上外延生长多个周期AlyGa1 yN/AlN超晶格插入层；
[0009]3)在上述制得的AlyGa1 yN/AlN超晶格插入层表面外延生长AlxGa1 XN薄膜；
[0010]4)腐蚀上述制得的AlxGa1 XN薄膜，形成具有位错坑的AlxGa1 XN薄膜；
[0011]5)在上述具有位错坑的AlxGa1 XN薄膜表面沉积介质膜，形成具有介质膜的外延片;
[0012]6)将上述具有介质膜的外延片表面抛光，制得外延片模板；
[0013]7)在上述外延片模板上继续外延生长AlxGa1 XN，制得AlxGa1 XN外延薄膜；其中，
[0014]x、y为不大于I的正数。
[0015]通过上述技术方案，本发明在常规的AlxGa1少或AlN的生长工艺基础之上，例如烘烤清洗衬底(蓝宝石)；低温沉积AlN成核层；A1N模板高温外延生长；生长AlyGa1 yN/AlN超晶格插入层；生长几百纳米厚度的AlxGa1 XN的基础上，通过湿法腐蚀AlxGa1 XN，形成位错坑(包括螺型、刃型位错以及混合型位错)；并进一步沉积介质膜(SiNx，Si02，Al2O3等)覆盖外延片表面，从而实现介质填入位错坑，阻断贯穿位错继续向上延伸；然后通过研磨抛光外延片，从而去除掉除位错坑以外区域的介质膜，露出AlxGa1 -层；最后二次外延生长AlxGa1 XN层。从而利用湿法腐蚀能呈现出位错坑的特点，实现将介质通过沉积的方法填入位错坑，达到阻断贯穿位错继续延伸的目的，能实现极大的和高效的阻断，从而获得后续生长的高质量AlxGa1 -外延层或AlN外延层的效果。通过上述方式，结合生长和工艺的处理，克服了单纯靠生长过程本身难以实现的AlxGa1 XN中低位错密度的目标，将AlxGa1少材料的生长过程设计成两次，从而有效地实现了降低位错密度的效果。
[0016]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0017]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0018]图1是本发明提供的一种制备低位错密度AlxGa1 XN外延层的流程图；
[0019]图2a是实施例1中经湿法腐蚀后的AlxGa1 XN的螺型位错腐蚀坑的俯视图；
[0020]图2b是实施例1中经湿法腐蚀后的AlxGa1 XN的螺型位错腐蚀坑的结构示意图；
[0021]图2c是实施例1中经湿法腐蚀后的AlxGa1 XN的刃型位错腐蚀坑的俯视图；
[0022]图2d是实施例1中经湿法腐蚀后的AlxGa1 XN的刃型位错腐蚀坑的结构示意图；
[0023]图2e是实施例1中经湿法腐蚀后的AlxGa1 XN的混合型位错腐蚀坑的俯视图；
[0024]图2f是实施例1中经湿法腐蚀后的AlxGa1 XN的混合型位错腐蚀坑的结构示意图；
[0025]图3是实施例1中沉积有介质膜的位错坑的结构示意图；
[0026]图4是实施例1中抛光后形成的外延片雏形的局部示意图。
[0027]附图标记说明
[0028]1-沉积的介质2-位错坑
[0029]3-AlxGai XN 外延片。
【具体实施方式】
[0030]以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0031]如图1所示，本发明提供了一种低位错密度AlxGa1 XN外延薄膜的制备方法，其中，所述制备方法包括:
[0032]I)在衬底上外延生长AlN薄膜；
[0033]2)将上述制得的AlN薄膜上外延生长多个周期AlyGa1 yN/AlN超晶格插入层；
[0034]3)在上述制得的AlyGa1 yN/AlN超晶格插入层表面外延生长AlxGa1 XN薄膜；
[0035]4)腐蚀上述制得的AlxGa1 XN薄膜，形成具有位错坑的AlxGa1 XN薄膜；
[0036]5)在上述具有位错坑的AlxGa1 XN薄膜表面沉积介质膜，形成具有介质膜的外延片;
[0037]6)将上述具有介质膜的外延片表面抛光，制得外延片模板；
[0038]7)在上述外延片模板上继续外延生长AlxGa1 XN，制得AlxGa1 XN外延薄膜；其中，
[0039]x、y为不大于I的正数。
[0040]上述设计通过在常规的AlxGa1 XN或AlN的生长工艺基础之上，例如烘烤清洗衬底(蓝宝石)；低温沉积AlN成核层；A1N模板高温外延生长；生长AlyGa1 yN/AlN超晶格插入层；生长几百纳米厚度的AlxGa1 XN的基础上，通过湿法腐蚀AlxGa1 XN，形成位错坑(包括螺型、刃型位错以及混合型位错)；并进一步沉积介质膜(SiNx，Si02，Al2O3等)覆盖外延片表面，从而实现介质填入位错坑，阻断贯穿位错继续向上延伸；然后通过研磨抛光外延片，从而去除掉除位错坑以外区域的介质膜，露出AlxGa1 XN层；最后二次外延生长AlxGa1 XN层。从而利用湿法腐蚀能呈现出位错坑的特点，实现将介质通过沉积的方法填入位错坑，达到阻断贯穿位错继续延伸的目的，能实现极大的和高效的阻断，从而获得后续生长的高质量AlxGa1 -外延层或AlN外延层的效果。通过上述方式，结合生长和工艺的处理，克服了单纯靠生长过程本身难以实现的AlxGa1 XN中低位错密度的目标，将AlxGa1 XN材料的生长过程设计成两次，从而有效地实现了降低位错密度的效果。
[0041]步骤2)中外延生长的周期数可以根据实际需要进行调节，例如，在本发明的一种优选的实施方式中，步骤2)中外延生长的周期数可以选择为10-30，且每个周期包括AlyGa1 yN层和AlN层。当然，需要进一步说明的是，此处每个周期各自形成的AlyGa1 yN层中的I值不一定相同，具体可以根据实际情况进行调节，例如，Y值可以根据周期的递增呈现规律性的变化(递增或递减等)，当然，这里可以根据操作人员的实际操作进行调整，在此不多作赘述。
[0042]步骤4)中的腐蚀方式可以采用本领域技术人员常规采用的操作方式，只要能在步骤3)制得的AlxGa1 XN层的外表面上形成位错坑即可，如图2a、图2b、图2c、图2d、图2e和图2f所示，例如，在本发明的一种优选的实施方式中，步骤4)中的腐蚀方式可以为采用KOH进行湿法腐蚀。
[0043]在本发明的一种更为优选的实施方式中，步骤4)中形成的位错坑的深度为30-100nm。
[0044]为了使沉积的介质膜可以充分填充位错坑，在本发明的一种优选的实施方式中，步骤5)中位于位错坑中的介质膜的厚度大于所述位错坑的深度。
[0045]步骤I)中外延生长AlN薄膜的方法可以按照本领域技术人员常规采用的方式进行操作，操作的条件可以按照一般的条件进行即可，当然，在本发明中，为了使制得的AlN薄膜质量更高，以使得最终得到的AlxGa1 XN外延薄膜的位错密度更低，在本发明的一种优选的实施方式中，步骤I)的操作方式可以进一步设置为包括:A)在氢气氛围下，将衬底置于压力为50_150mbar，温度为1080-1150°C的环境下烘烤200_600s ；B)在氢气氛围且压力为50-100mbar的条件下，将上述烘烤后的衬底降温至930_960°C后通入三甲基铝和氨气，至衬底表面