[发明专利]生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及高质量氮化铟单晶外延膜的外延生长方法。

背景技术

III族氮化物半导体氮化铟(InN)由于其独特的物理、化学性能，受到了越来越广泛的关注和研究。在III族氮化物中，InN具有最小的有效质量，在理论上具有最高的载流子迁移率，所以在高速器件领域有着很广阔的应用前景；InN具有最小的直接带隙，使得它成为红外波长发光器件的合适材料。但目前由于InN的体单晶制备非常困难，还没有关于体单晶制备的相关报道。而InN单晶外延膜的制备则因为InN低的分解温度和缺乏与之匹配的异质衬底材料而变得困难。目前InN的外延生长主要还是在大失配衬底蓝宝石(0001)，硅(111)或碳化硅(0001)等晶面上进行。在八十年代之前，尽管人们尝试了很多方法如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，分子束外延(MBE)，离子溅射等，但得到的多是多晶的InN外延膜。九十年代后，高质量的单晶InN外延膜的生长技术被广泛研究。这些研究包括采用MOCVD和MBE等外延方法在不同衬底和缓冲层上进行生长及不同生长参数的优化，所制备的InN外延膜结晶质量得到显著提高。目前，采用MBE方法生长的InN外延膜的结晶质量优于MOCVD方法生长的InN。但是，由于MOCVD方法生长的其他GaN基外延材料的结晶质量、光电性能全面优于MBE方法，所以InN要与高质量的氮化物合金构成器件则必须在MOCVD环境中生长。因此，如何进一步提高MOCVD生长的InN外延膜的结晶质量是氮化物材料发展的一个重要问题。

本发明以前的采用MOCVD方法外延InN大多采用AlN或GaN缓冲层，或者在GaN衬底上直接外延InN。这样虽然在一定程度上减小InN外延膜和衬底的晶格失配，提高了InN外延膜的晶体质量。但是由于InN在生长过程中对表面的N平衡气压要求比较高，InN的分解温度比较低，决定了InN只能在较低的生长温度下生长。而InN的MOCVD生长采用氨气做N源，在比较低的生长温度(～500℃)下，氨气的裂解效率很低，表面缺乏反应活性的N原子，InN的生长被限制，在InN外延膜中常会存在少量的铟滴。另一方面，在较低的生长温度下，表面吸附原子的迁移能力比较低，生长高质量的InN单晶外延膜非常困难。由于这些问题的存在，使得InN单晶外延膜的结晶质量还不是很高，达不到器件制作的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法，所述方法是通过在生长氮化铟的同时通入少量卤化物，由于卤化物可以腐蚀生长中的过量金属铟，因而可以有效抑制铟滴的出现。同时由于卤化物还在一定程度上增强了表面吸附的In源的横向迁移能力，可以提高InN的结晶质量，并提高表面的平整度。

本发明提供了一种生长高质量氮化铟单晶外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

选择一衬底；

将衬底放入金属有机物化学气相沉积系统内，升温并通入氨气预处理；

降温至生长温度，同时通入三甲基铟、氨气、少量四氯化碳，生长出氮化铟单晶外延膜。

所述的衬底为蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC、GaAs、InAs、GaP、InP、MgAl₂O₄中任一种或这些衬底的复合衬底。

所述的预处理温度为500-900℃，压力为2.6-101千帕斯卡，氨气为0.5-2slm，时间为5-20分钟。

所述的氮化铟外延膜的生长温度为400-550℃，压力为2.6-101千帕斯卡，氮气作载气。

四氯化碳被CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、HF、CHCl₃、CH₂Cl₂、CH₃Cl、HCl、CHBr₃、CH₂Br₂、CH₃Br、HBr、CHI₃、CH₂I₂、CH₃I、HI中的一种替换。

所述四氯化碳与三甲基铟的摩尔比≤0.06，＞0。

附图说明

图1是本发明的高质量氮化铟单晶外延膜生长结构示意图；

图2是本发明的高质量氮化铟单晶外延膜与常规方法生长的氮化铟外延膜的双晶X射线ω-2θ扫描测试结果的对比；