[发明专利]一种生长高质量单晶氮化铟薄膜的方法

说明书

技术领域

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单晶InN外延薄膜的方法。

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AlN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0.7eV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AlN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：

一种生长高质量单晶InN薄膜的方法，先在硅(Si)衬底上利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生长AlN缓冲层，然后继续利用MOCVD技术生长InN单晶外延，并在InN单晶外延的生长过程中，通入四氯化碳CCl₄。

所述AlN缓冲层的生长温度范围为1050℃-1110℃。

所述AlN缓冲层的生长厚度范围为10纳米(nm)-200纳米(nm)。

所述AlN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20托(Torr)-100托(Torr)。

所述InN单晶外延的生长温度范围为400℃-600℃。

所述InN单晶外延的生长压力范围为20托(Torr)-700托(Torr)。

所述InN单晶外延的生长V/III比为3000-20000。

所述InN单晶外延的生长过程中，通入的CCl₄的流量为0.1微摩尔/分钟(umol/min)-10微摩尔/分钟(umol/min)。

所述AlN缓冲层生长时，先通入金属有机源铝Al(例如TMAl)，通入时间为5秒-300秒，然后才通入氨气。