一种n源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法
【专利摘要】本发明是一种N源间隔供源制备的氮化物单晶薄膜及方法，其结构是在单晶衬底上是氮化铝AlN缓冲层；在氮化铝AlN缓冲层上是氮化物单晶薄膜，其制备方法，包括如下工艺步骤：1）单晶衬底放入反应室，高温烘烤；2）在单晶衬底上制备Al浸润层；3）在浸润层上制备氮化铝AlN缓冲层；4）在氮化铝AlN缓冲层上制备氮化物单晶薄膜；5）降至室温，取出。优点：本方法因在间隔供源方法制备氮化铝优点的基础上，加入In气氛和Al浸润层的优势，所以进一步改善了氮化铝缓冲层和氮化物单晶薄膜的晶体和表面质量，降低了薄膜应力；具有结构简单、工艺可控；表面形貌好；低成本等特点。
【专利说明】一种N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用In表面活性剂和Al浸润层，在单晶衬底上间隔输送N源制备氮化铝缓冲层，从而改善氮化物单晶薄膜质量的N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法。属于宽禁带半导体外延材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，氮化物薄膜因缺乏高质量的同质衬底，大多采用异质外延方式制备较高质量的氮化物外延薄膜，但异质衬底与外延薄膜之间存在较大的晶格和热膨胀系数差别，属于大失配体系，将在外延薄膜中产生高密度的位错和缺陷。根据衬底种类的不同，多会采用氮化镓或氮化铝作为缓冲层。氮化铝缓冲层因为晶格常数较小，性质稳定，对其上生长的氮化物薄膜产生压应力，能减小外延薄膜中因失配应力产生裂纹的几率，另外，因其绝缘性较好，在电子和微波器件中获得较多应用。
[0003]氮化铝缓冲层虽然可以通过常规的外延方法制备，但因为自身的物理化学特性所限制，较高的制备温度将有利于提高结晶完整性。现在外延设备的上限温度偏低，除非特殊改制加热部件，否则，很难获得高质量的氮化铝材料。经过探索，生长氮化铝的方法有连续生长和间隔供源生长法。连续生长法是氮化铝生长过程中保持Al源和N源无间断的持续通入，通过调整温度、压力、流量等工艺条件制备氮化铝；间隔供源生长法是Al源和N源或者其中的一种以脉冲方式互相间隔通入反应室，目的是避免Al源和N源过早混合，减少预反应，同时相对增加了 Al原子的表面迁移长度，这样就可以在不提高生长温度的条件下，通过调整Al源和N源的通入时间、流量、间隔时间等条件改善氮化铝的质量，降低对外延设备的温度上限要求。连续生长法的障碍是需要大幅提高外延设备的生长温度，面临电源、加热器、控制电路、反应室等改造难题。间隔通供法的优点是利用现有设备，不需提高制备温度，通过改变源的输入方式和次序就可以改善氮化铝的制备。尽管间隔供源法比连续生长法的效果要好，但改变的只是Al原子的表面长度，并没有从改变Al原子表面迁移速度这个根本原因来提高氮化铝的质量。
【发明内容】
[0004]本发明提出了一种N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，采用In气氛保护和Al层浸润，在单晶衬底上间隔输入N源制备氮化铝缓冲层及氮化物单晶薄膜的方法。间隔供源方法可以增加Al原子表面迁移长度，制备高质量氮化铝缓冲层，在此基础上，一方面引入In作为表面活性剂，从根本上提高Al原子在衬底表面的迁移速度，并且在氮化铝制备结束后持续通入一定时间，促使表面质量的改善；另一方面将Al源先于N源通入衬底表面，可以在衬底表面形成浸润层，降低衬底的表面能，随后通入N源与Al浸润层生成氮化铝，提高了氮化铝的晶体质量。另外，在氮化铝制备结束后In源还要持续通入一段时间再关闭，保证了表面的平整度和光滑度。本方法在不提高生长温度的情况下，能够进一步改善氮化物单晶薄膜的晶体质量和表面形貌，降低应力，避免了连续生长方法和间隔供源法制备AlN缓冲层的不足。具有方法简单，工艺难度小，容易实现等优点。
[0005]本发明的技术解决方案:一种N源间隔输送制备氮化物单晶薄膜及方法，其结构是在单晶衬底上是氮化铝AlN缓冲层；在氮化铝AlN缓冲层上是氮化物单晶薄膜。
[0006]其制备方法，包括如下工艺步骤:
O单晶衬底放入反应室，高温烘烤；
2)在单晶衬底上制备Al浸润层；
3)在浸润层上制备氮化铝AlN缓冲层；
4)在氮化铝AlN缓冲层上制备氮化物单晶薄膜；
5)降至室温，取出。
[0007]本发明的优点:1)A1N缓冲层制备过程和制备结束后一段时间内均采用In气氛保护，有效增加Al原子的迁移速度，提高氮化铝缓冲层的晶体质量和表面的光滑。2)采用Al浸润层降低表面能，改善氮化铝缓冲层的应力和晶体质量。3) N源间隔输入制备的AlN缓冲层有助于实现二维生长，缓冲氮化物单晶薄膜的应力，提高晶体和表面质量。4)结构简单，制备工艺可控。5)成本低，应用广泛，可以生长氮化物系列单晶薄膜与多层结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]附图1是氮化物单晶薄膜的结构示意图。
[0009]附图2是氮化铝缓冲层制备过程中In源、Al源和N源的通入顺序示意图。
[0010]图中I是单晶衬底、2是氮化铝(AlN)缓冲层、3是氮化物单晶薄膜。
【具体实施方式】
[0011]对照附图1，氮化物单晶薄膜，其结构是单晶衬底I上是氮化铝AlN缓冲层2 ;在氮化铝AlN缓冲层2上是氮化物单晶薄膜3。
[0012]一种N源间隔输送制备氮化物晶薄膜的方法，包括如下工艺步骤:
O单晶衬底放入反应室，高温烘烤；
2)在单晶衬底上制备Al浸润层；
3)在浸润层上制备氮化铝AlN缓冲层；
4)在氮化铝AlN缓冲层上制备氮化物单晶薄膜；
5)降至室温，取出。
[0013]所述的单晶衬底为蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓、氮化铝、绝缘体上硅(SOI)或铝酸锂。
[0014]所述的氣化招AlN缓冲层制备过程中和制备结束后在规定时间内，始终通入In源。
[0015]所述氮化铝AlN缓冲层采用先持续稳定通入Al源，再通入N源5-30秒后停止5_30秒的间隔输送方法制备，直至AlN缓冲层厚度满足要求。
[0016]所述的氮化铝AlN缓冲层的制备温度TL为500°C≤TL≤1300°C，厚度t为IOnm ^ t ^ lOOOnm。
[0017]所述的氮化物单晶薄膜包括氮化镓、氮化铝、氮化铟二元单晶薄膜，或者由其组成的多元单晶薄膜，以及多层结构。
[0018]实施例1
1)选择单晶Si衬底，放入MOCVD反应腔内；
2)升温至1080°C，氢气气氛烘烤10分钟；
3)降温至600°C，150torr，通入三甲基铟和三甲基铝30秒；
4)通入氨气30秒后停止30秒，再通入氨气30秒后停止30秒，保持按此规律间隔通入氨气，直至氮化铝厚度达到lOOnm，关闭三甲基铝；
5)通入氨气，30秒后停止通入三甲基铟； 6)升温至1060°C，lOOTorr，通入三甲基镓生长2Mm厚GaN单晶薄膜；
7)关闭三甲基镓，在氨气保护下降至室温。
[0019]实施例2
1)选择单晶SOI衬底，放入MOCVD反应腔内；
2)升温至1060°C,氢气气氛烘烤10分钟；
3)降温至1000°C，lOOtorr，通入三甲基铟和三甲基铝20秒；
4)通入氨气20秒后停止20秒，再通入氨气20秒后停止20秒，保持按此规律间隔通入氨气，直至氮化铝厚度达到500nm，关闭三甲基铝；
5)通入氨气，20秒后停止通入三甲基铟；
6)关闭三甲基铝，升温至1060°C，IOOTorr，通入三甲基镓和硅烷生长3Mm厚η型GaN
单晶薄膜；
7)关闭三甲基镓和硅烷，在氨气保护下降至室温。
[0020]实施例3
1)选择单晶蓝宝石衬底，放入MOCVD反应腔内；
2)升温至1100°C，氢气气氛烘烤10分钟；
3)降温至1080°C，80torr，通入三甲基铟和三甲基铝30秒；
4)通入氨气10秒后停止15秒，再通入氨气10秒后停止15秒，保持按此规律间隔通入氨气，直至氮化铝厚度达到lOOOnm，关闭三甲基铝；
5)通入氨气，30秒后停止通入三甲基铟；
6)升温至1060°C，100Torr，通入三甲基镓和三甲基铝生长IMm厚
7)AlGaN单晶薄膜；
8)关闭三甲基镓和三甲基铝，在氨气保护下降至室温。
[0021]实施例4
1)选择单晶SiC衬底，放入MOCVD反应腔内；
2)升温至1100°C，氢气气氛烘烤10分钟；
3)升温至1200°C，50torr，通入三甲基铟和三甲基铝10秒；
4)通入氨气15秒后停止10秒，再通入氨气15秒后停止10秒，保持按此规律间隔通入氨气，直至氮化铝厚度达到200nm，关闭三甲基铝；
5)通入氨气，15秒后停止通入三甲基铟；
6)降温至1060°C，100Torr，通入三甲基镓和三甲基铝生长IMm厚AlGaN单晶薄膜；
7)关闭三甲基镓和三甲基铝，在氨气保护下降至室温。[0022]实施例5
1)选择单晶SiC衬底，放入MBE反应腔内；
2)升温至890°C，烘烤10分钟；
3)升温至910°C，通入铟源和铝源10秒；
4)氮源通入5秒后停止5秒，再通入氮源5秒后停止5秒，保持按此规律间隔通入氨气，直至氮化铝厚度达到10nm，关闭铝源；
5)通入氮源，10秒后停止通入铟源，；
6)降温至800°C，通入Ga源生长2Mm厚的GaN单晶薄膜；
7)关闭Ga和N源，降至室温。
[0023]根据上述方 法不仅可以生长低位错密度的氮化物单晶薄膜，还可以在其上继续生长各种器件结构。
[0024]本发明所涉及的制备宽禁带单晶薄膜结构和方法可以利用常见的如MOCVD (金属有机物化学汽相沉积)、CVD (化学汽相沉积)、MBE (分子束外延)、UHVCVD (超高真空化学汽相沉积)等薄膜制备技术实现，根据技术特点，本发明的实现包括但不限于上述方法。
【权利要求】
1.一种N源间隔输送制备的氮化物晶薄膜，其特征是在单晶衬底上是氮化铝AlN缓冲层；在氮化铝AlN缓冲层上是氮化物单晶薄膜。
2.如权利要求1所述的一种N源间隔输送制备氮化物晶薄膜的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤: 1)单晶衬底放入反应室，高温烘烤； 2)在单晶衬底上制备Al浸润层； 3)在浸润层上制备氮化铝AlN缓冲层； 4)在氮化铝AlN缓冲层上制备氮化物单晶薄膜； 5)降至室温，取出。
3.根据权利要求1所述的一种N源间隔输送制备的氮化物晶薄膜，其特征是所述的单晶衬底为蓝宝石、碳化硅SiC、硅S1、氮化镓、氮化铝、绝缘体上硅(SOI)或铝酸锂。
4.根据权利要求1所述的一种N源间隔输送制备的氮化物晶薄膜，其特征是所述的氮化铝AlN缓冲层制备过程中和制备结束后在规定时间内，始终通入In源。
5.根据权利要求1所述的一种N源间隔输送制备的氮化物晶薄膜，其特征是所述氮化铝AlN缓冲层采用先持续稳定通入Al源，再通入N源5-30秒后停止5_30秒的间隔输送方法制备，直至AlN缓冲层厚度满足要求。
6.根据权利要求1所述的一种N源间隔输送制备的氮化物晶薄膜，其特征是所述的氮化铝AlN缓冲层的制备温度Tl为500。。≤K 1300°C，厚度t为IOnm ^ t ^ 1000nm0
7.根据权利要求1所述的一种N源间隔输送制备的氮化物晶薄膜，其特征是所述的氮化物单晶薄膜包括氮化镓、氮化铝、氮化铟二元单晶薄膜，或者由其组成的多元单晶薄膜，以及多层结构。
【文档编号】C30B29/38GK103710747SQ201310629266
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】李忠辉 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所