一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法
专利名称：一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法
一种生长髙质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法
背景技术：
本发明涉及氮化铟InN的MOCVD (金属有机化学气相沉积)技术生长 方法，特别涉及了生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄膜的方法。
背景技术：
作为第三代半导体材料的III-V族氮化物氮化镓GaN，氮化铟InN， 氮化铝A1N及其合金材料都是直接带隙半导体材料，具有禁带分布范围 大，覆盖了从红光到紫外的波段，可用于制作发光二极管,激光器，探测 器和太阳能电池等，在全色显示白光照明，高密度存储，紫外探测等方 面有广泛的应用。另一方面，由于GaN基材料的禁带宽度大，击穿电压高， 电子饱和速度大，热稳定性好，抗腐蚀性强，介电常数小等优点，被广泛 用于制作高电子迁移率晶体管，双极晶体管，长效应晶体管等微电子 器件，适合在高温，大功率以及恶劣环境下工作。
近期的一些研究结果表明纤锌矿结构的InN室温禁带宽度为约 0.7eV(电子伏特)，而不是以前一直被广泛引用的1.89eV，因此产生了 对于InN禁带宽度的不确定性的争论。根据InN的这个新的禁带宽度，III 族氮化物基的光电子器件的发光波段范围将从紫外拓展到近红外。基于 这个优势，III族氮化物体系的一个重要潜在应用就是制备完全基于氮 化物的高光电转换效率太阳能电池。其中，对于InGaN(铟镓氮)三元合
金，通过改变In与Ga的比例便可获得由O. 7eV到3. 4eV这区域中各种不同 能带宽度，这个能量范围几乎覆盖整个太阳光谱(0.4-4eV)。这不仅 会降低材料制备的成本，并且使得结构的设计和制备更加灵活，最重要 的是有望获得更高的光电转换效率(>70%)。同时，InN自身发光接近 1. 55微米的通信波段，也为制作高速通信用LD(激光二极管)和LED(发光二极管)提供了可能性。
另外，理论预测还表明InN相比于其它的III族氮化物有着最小的有 效质量，具有最高的载流子迁移率，在室温(300K)和低温(77K)下， GaN的电子迁移率最高分别为1000cm2/vs和6000cm2/vs，而InN的电子迁 移率最高则分别可以达到4400cm2/vs和30000cm2/vs。 InN在室温下有比 较高的电子峰值漂移速率，电子饱和速度也大大高于GaAs和GaN，而且 它的电子漂移速度受温度和掺杂浓度变化的影响较小，所以它在高速微 电子器件方面有着很广阔的应用前景。
目前，世界上比较流行的Si上生长InN单晶薄膜的方法是直接在 Si上沉积InN;或者是生长一层低温InN缓冲层，然后生长InN;也有 生长一层A1N缓冲层，再生长InN。前两种方法因为生长条件比较难把 握，得到的晶体质量不高。第三种的方法生长出来的InN会伴随产生许 多金属In滴的产生。因为InN的生长温度偏低(原因是InN的饱和蒸 汽压偏高)，而在较低的温度范围内，氨气的裂解效率很低，造成合成 InN的五族源不充分，部分In就形成金属In出现在样品表面。
发明内容
本发明的目的在于提出一种生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄
膜的方法，以提高InN单晶外延的晶体质量。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是
一种生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄膜的方法，在硅(Si) 衬底上利用MOCVD (金属有机化学气相沉积)技术先生长A1N缓冲层，在 AlN缓冲层上继续生长AlInN缓冲层，最后生长InN单晶外延。 所述AlN缓冲层的生长温度范围为105(TC-lll(rC。 所述AlN缓冲层的生长厚度范围为10nm-200nm (纳米)。 所述A1N缓冲层的生长V/III比(就是反应所需要的五族源的摩尔量 和三族源的摩尔量之比)为4000-6000。
所述AlN缓冲层的生长压力为20Torr-100Torr (托)。 所述A1N缓冲层生长时，先通入金属有机源铝A1 (例如TMA1)，通 入金属有机源的时间为5秒-300秒，然后才通入氨气。 所述InN单晶外延的生长温度范围为40(TC-60(rC。 所述InN单晶外延的生长压力范围为20Torr-700Torr 。 所述InN单晶外延的生长V/III比为3000-20000。 所述A1 InN缓冲层是单一组分的一层A1 InN缓冲层。 所述AlInN缓冲层是渐变组分的一层AlInN缓冲层，In组分由少到多 呈线形变化。
所述AlInN缓冲层是不同组分的多层AlInN缓冲层，各层In组分由少 到多呈线形变化。
采用上述方案后，本发明因为生长A1N缓冲层，A1N缓冲层的作用是 减少衬底的Si向InN外延层扩散，降低晶格失配，并且，本发明在A1N缓 冲层基础之上继续生长A1 InN缓冲层，由于InN和AlN毕竟存在一定的晶 格失配，由AlInN作为二者之间的过渡层，可以在过渡层中逐渐释放应
力，消除失配位错，降低晶格失配带来的影响。所以，本发明提高InN 单晶外延的晶体质量，得到高质量单晶InN薄膜，得到高质量单晶InN薄 膜。
图1是本发明方法生长对应的材料结构图 ，
图2是本发明方法生长的单晶InN薄膜的X射线衍射分析(XRD)扫描
图3是本发明方法生长的单晶InN薄膜的光致发光图谱。 具体实施方案
如图1所示，本发明一种生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄膜的 方法，是在硅(Si)衬底1上利用M0CVD (金属有机化学气相沉积)技术 先生长A1N缓冲层2，此为本发明的关键之一，在A1N缓冲层2上继续生长 AlInN缓冲层3， AlInN缓冲层3可以是单一组分的一层AlInN缓冲层，或 渐变组分的一层AlInN缓冲层，或不同组分的多层AlInN缓冲层，此为本 发明的关键之二，最后生长InN单晶外延4。
本发明的具体生长包括以下步骤
1. 在MOCVD系统中，在300。C-100(TC的温度下，对Si衬底l进行去 水气处理，载气为氢气，处理时间为10分钟-15分钟，压力为 20Torr-700Torr。
2. 升温进行A1N缓冲层2的生长，载气为氢气。在生长A1N缓冲层2时，
首先通入金属有机源A1 (例如TMA1) 5秒-300秒，然后再通入氨气，进 行A1N缓冲层2的生长。
A1N缓冲层2的生长温度为1050。C-lll(TC，生长厚度为10nm-200nm， 生长V /III比为4000-6000 ，生长压力为20Torr-1 OOTorr 。
3. 在AlN缓冲层2上采用合适的生长条件生长AlInN缓冲层3。 在生长AlInN缓冲层3的时候，可以生长一层单一组分的AlInN缓冲
层，或者可以生长多层不同In组分的AlInN缓冲层，或者可以生长一层 渐变In组分的A1 InN缓冲层。Al InN缓冲层中的In组分变化趋势均为In组 分由少到多的线形变化。此线性变化是起到一个逐渐过渡的作用，In组 分由低到高，也就是AlN逐渐过渡到InN的过程。这个过渡是为了沉积出 更高质量的InN单晶薄膜。InN薄膜的晶体质量越好，它的各项物理、光 电参数就越好。
4. 进行InN单晶外延3的生长，载气切换为氮气。 生长InN单晶外延3的温度为400。C-600°C ，生长V/III比为
3000-20000，生长压力为20Torr-700Torr ，最佳生长压力控制在 650-750Torr。
如图2所示，是本发明方法生长的单晶InN薄膜的X射线衍射分析 (XRD)扫描图；从图中可见，本发明生长出来的InN薄膜质量良好，AlInN 缓冲层起到了良好的过渡穿透位错和弛豫应力的作用。
如图3所示，是本发明方法生长的单晶InN薄膜的光致发光图谱，说 明本发明生长出来的InN薄膜具有良好的光电性质，光致发光结果说明 所长InN单晶薄膜禁带宽度在0.7ev左右。Hall (霍尔)结果具有 800cmVvs以上的迁移率，载流子浓度在6xl0"c附3范围内。
权利要求
1、一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法，其特征在于在硅衬底上利用金属有机化学气相沉积技术先生长AlN缓冲层，在AlN缓冲层上继续生长AlInN缓冲层，最后生长InN单晶外延。
2、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述A1N缓冲层的生长温度范围为105(TC-1110 。C。
3、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述AlN缓冲层的生长厚度范围为10nm-200nm。
4、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述AlN缓冲层的生长V/III比为4000-6000。
5、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述AlN缓冲层的生长压力为20Torr-100Torr。
6、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述A1N缓冲层生长时，先通入金属有机源铝， 通入金属有机源的时间为5秒-300秒，然后才通入氨气。
7、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述InN单晶外延的生长温度范围为40(TC-600 。C。
8、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述InN单晶外延的生长压力范围为 20Torr-700Torr。
9、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法，其特征在于所述InN单晶外延的生长V/III比为3000-20000。
10、如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟 薄膜的方法，其特征在于所述AlInN缓冲层是单一组分的一层AlInN缓 冲层，或是渐变组分的一层AlInN缓冲层，In组分由少到多呈线性变化， 或是不同组分的多层AlInN缓冲层，各层In组分由少到多呈线性变化。
全文摘要
本发明公开一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法，在硅衬底上利用MOCVD技术先生长AlN缓冲层，在AlN缓冲层上继续生长AlInN缓冲层，最后生长InN单晶外延。AlInN缓冲层可以是单一组分的一层AlInN缓冲层，或是渐变组分的一层AlInN缓冲层，In组分由少到多呈线形变化，或是不同组分的多层AlInN缓冲层，各层In组分由少到多呈线形变化。此方法可以提高InN单晶外延的晶体质量。
文档编号H01L21/02GK101388337SQ200810072029
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者张双翔, 张银桥, 王向武, 蔡建九 申请人:厦门乾照光电有限公司
一种生长髙质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法
背景技术：
本发明涉及氮化铟InN的MOCVD (金属有机化学气相沉积)技术生长 方法，特别涉及了生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄膜的方法。
背景技术：
作为第三代半导体材料的III-V族氮化物氮化镓GaN，氮化铟InN， 氮化铝A1N及其合金材料都是直接带隙半导体材料，具有禁带分布范围 大，覆盖了从红光到紫外的波段，可用于制作发光二极管,激光器，探测 器和太阳能电池等，在全色显示白光照明，高密度存储，紫外探测等方 面有广泛的应用。另一方面，由于GaN基材料的禁带宽度大，击穿电压高， 电子饱和速度大，热稳定性好，抗腐蚀性强，介电常数小等优点，被广泛 用于制作高电子迁移率晶体管，双极晶体管，长效应晶体管等微电子 器件，适合在高温，大功率以及恶劣环境下工作。
近期的一些研究结果表明纤锌矿结构的InN室温禁带宽度为约 0.7eV(电子伏特)，而不是以前一直被广泛引用的1.89eV，因此产生了 对于InN禁带宽度的不确定性的争论。根据InN的这个新的禁带宽度，III 族氮化物基的光电子器件的发光波段范围将从紫外拓展到近红外。基于 这个优势，III族氮化物体系的一个重要潜在应用就是制备完全基于氮 化物的高光电转换效率太阳能电池。其中，对于InGaN(铟镓氮)三元合
金，通过改变In与Ga的比例便可获得由O. 7eV到3. 4eV这区域中各种不同 能带宽度，这个能量范围几乎覆盖整个太阳光谱(0.4-4eV)。这不仅 会降低材料制备的成本，并且使得结构的设计和制备更加灵活，最重要 的是有望获得更高的光电转换效率(>70%)。同时，InN自身发光接近 1. 55微米的通信波段，也为制作高速通信用LD(激光二极管)和LED(发光二极管)提供了可能性。
另外，理论预测还表明InN相比于其它的III族氮化物有着最小的有 效质量，具有最高的载流子迁移率，在室温(300K)和低温(77K)下， GaN的电子迁移率最高分别为1000cm2/vs和6000cm2/vs，而InN的电子迁 移率最高则分别可以达到4400cm2/vs和30000cm2/vs。 InN在室温下有比 较高的电子峰值漂移速率，电子饱和速度也大大高于GaAs和GaN，而且 它的电子漂移速度受温度和掺杂浓度变化的影响较小，所以它在高速微 电子器件方面有着很广阔的应用前景。
目前，世界上比较流行的Si上生长InN单晶薄膜的方法是直接在 Si上沉积InN;或者是生长一层低温InN缓冲层，然后生长InN;也有 生长一层A1N缓冲层，再生长InN。前两种方法因为生长条件比较难把 握，得到的晶体质量不高。第三种的方法生长出来的InN会伴随产生许 多金属In滴的产生。因为InN的生长温度偏低(原因是InN的饱和蒸 汽压偏高)，而在较低的温度范围内，氨气的裂解效率很低，造成合成 InN的五族源不充分，部分In就形成金属In出现在样品表面。
发明内容
本发明的目的在于提出一种生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄
膜的方法，以提高InN单晶外延的晶体质量。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是
一种生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄膜的方法，在硅(Si) 衬底上利用MOCVD (金属有机化学气相沉积)技术先生长A1N缓冲层，在 AlN缓冲层上继续生长AlInN缓冲层，最后生长InN单晶外延。 所述AlN缓冲层的生长温度范围为105(TC-lll(rC。 所述AlN缓冲层的生长厚度范围为10nm-200nm (纳米)。 所述A1N缓冲层的生长V/III比(就是反应所需要的五族源的摩尔量 和三族源的摩尔量之比)为4000-6000。
所述AlN缓冲层的生长压力为20Torr-100Torr (托)。 所述A1N缓冲层生长时，先通入金属有机源铝A1 (例如TMA1)，通 入金属有机源的时间为5秒-300秒，然后才通入氨气。 所述InN单晶外延的生长温度范围为40(TC-60(rC。 所述InN单晶外延的生长压力范围为20Torr-700Torr 。 所述InN单晶外延的生长V/III比为3000-20000。 所述A1 InN缓冲层是单一组分的一层A1 InN缓冲层。 所述AlInN缓冲层是渐变组分的一层AlInN缓冲层，In组分由少到多 呈线形变化。
所述AlInN缓冲层是不同组分的多层AlInN缓冲层，各层In组分由少 到多呈线形变化。
采用上述方案后，本发明因为生长A1N缓冲层，A1N缓冲层的作用是 减少衬底的Si向InN外延层扩散，降低晶格失配，并且，本发明在A1N缓 冲层基础之上继续生长A1 InN缓冲层，由于InN和AlN毕竟存在一定的晶 格失配，由AlInN作为二者之间的过渡层，可以在过渡层中逐渐释放应
力，消除失配位错，降低晶格失配带来的影响。所以，本发明提高InN 单晶外延的晶体质量，得到高质量单晶InN薄膜，得到高质量单晶InN薄 膜。
图1是本发明方法生长对应的材料结构图 ，
图2是本发明方法生长的单晶InN薄膜的X射线衍射分析(XRD)扫描
图3是本发明方法生长的单晶InN薄膜的光致发光图谱。 具体实施方案
如图1所示，本发明一种生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄膜的 方法，是在硅(Si)衬底1上利用M0CVD (金属有机化学气相沉积)技术 先生长A1N缓冲层2，此为本发明的关键之一，在A1N缓冲层2上继续生长 AlInN缓冲层3， AlInN缓冲层3可以是单一组分的一层AlInN缓冲层，或 渐变组分的一层AlInN缓冲层，或不同组分的多层AlInN缓冲层，此为本 发明的关键之二，最后生长InN单晶外延4。
本发明的具体生长包括以下步骤
1. 在MOCVD系统中，在300。C-100(TC的温度下，对Si衬底l进行去 水气处理，载气为氢气，处理时间为10分钟-15分钟，压力为 20Torr-700Torr。
2. 升温进行A1N缓冲层2的生长，载气为氢气。在生长A1N缓冲层2时，
首先通入金属有机源A1 (例如TMA1) 5秒-300秒，然后再通入氨气，进 行A1N缓冲层2的生长。
A1N缓冲层2的生长温度为1050。C-lll(TC，生长厚度为10nm-200nm， 生长V /III比为4000-6000 ，生长压力为20Torr-1 OOTorr 。
3. 在AlN缓冲层2上采用合适的生长条件生长AlInN缓冲层3。 在生长AlInN缓冲层3的时候，可以生长一层单一组分的AlInN缓冲
层，或者可以生长多层不同In组分的AlInN缓冲层，或者可以生长一层 渐变In组分的A1 InN缓冲层。Al InN缓冲层中的In组分变化趋势均为In组 分由少到多的线形变化。此线性变化是起到一个逐渐过渡的作用，In组 分由低到高，也就是AlN逐渐过渡到InN的过程。这个过渡是为了沉积出 更高质量的InN单晶薄膜。InN薄膜的晶体质量越好，它的各项物理、光 电参数就越好。
4. 进行InN单晶外延3的生长，载气切换为氮气。 生长InN单晶外延3的温度为400。C-600°C ，生长V/III比为
3000-20000，生长压力为20Torr-700Torr ，最佳生长压力控制在 650-750Torr。
如图2所示，是本发明方法生长的单晶InN薄膜的X射线衍射分析 (XRD)扫描图；从图中可见，本发明生长出来的InN薄膜质量良好，AlInN 缓冲层起到了良好的过渡穿透位错和弛豫应力的作用。
如图3所示，是本发明方法生长的单晶InN薄膜的光致发光图谱，说 明本发明生长出来的InN薄膜具有良好的光电性质，光致发光结果说明 所长InN单晶薄膜禁带宽度在0.7ev左右。Hall (霍尔)结果具有 800cmVvs以上的迁移率，载流子浓度在6xl0"c附3范围内。
权利要求
1、一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法，其特征在于在硅衬底上利用金属有机化学气相沉积技术先生长AlN缓冲层，在AlN缓冲层上继续生长AlInN缓冲层，最后生长InN单晶外延。
2、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述A1N缓冲层的生长温度范围为105(TC-1110 。C。
3、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述AlN缓冲层的生长厚度范围为10nm-200nm。
4、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述AlN缓冲层的生长V/III比为4000-6000。
5、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述AlN缓冲层的生长压力为20Torr-100Torr。
6、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述A1N缓冲层生长时，先通入金属有机源铝， 通入金属有机源的时间为5秒-300秒，然后才通入氨气。
7、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述InN单晶外延的生长温度范围为40(TC-600 。C。
8、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄 膜的方法，其特征在于所述InN单晶外延的生长压力范围为 20Torr-700Torr。
9、 如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法，其特征在于所述InN单晶外延的生长V/III比为3000-20000。
10、如权利要求l所述一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟 薄膜的方法，其特征在于所述AlInN缓冲层是单一组分的一层AlInN缓 冲层，或是渐变组分的一层AlInN缓冲层，In组分由少到多呈线性变化， 或是不同组分的多层AlInN缓冲层，各层In组分由少到多呈线性变化。
全文摘要
本发明公开一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法，在硅衬底上利用MOCVD技术先生长AlN缓冲层，在AlN缓冲层上继续生长AlInN缓冲层，最后生长InN单晶外延。AlInN缓冲层可以是单一组分的一层AlInN缓冲层，或是渐变组分的一层AlInN缓冲层，In组分由少到多呈线形变化，或是不同组分的多层AlInN缓冲层，各层In组分由少到多呈线形变化。此方法可以提高InN单晶外延的晶体质量。
文档编号H01L21/02GK101388337SQ200810072029
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者张双翔, 张银桥, 王向武, 蔡建九 申请人:厦门乾照光电有限公司
最新回复(0)