[发明专利]一种AlN缓冲层的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，特别涉及AlN缓冲层的生长方法。

背景技术

III族氮化物材料是重要的宽禁带半导体材料，具有带隙范围宽(0.9eV-6.2eV)、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等特点，这些优良的光、电学性质以及优良的材料化学性能使III族氮化物材料在蓝、绿、紫、紫外光及白光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等半导体器件等领域中有广泛的应用前景。目前，可见光LEDs的制备和封装技术已逐渐趋于成熟，人们把目光转向了短波长紫外或深紫外发光和探测器件的研究和制备。三元合金Al_xGa_1-xN因为其带隙可以从3.42eV到6.2eV之间连续可调，可以广泛应用在短波长深紫外(UV)发光、探测以及白光照明LEDs中。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用的光电探测技术。太阳光盲深紫外探测器可有效探测到那些尾焰或羽焰中释放出大量紫外辐射的飞行目标，这就为导弹、战机的探测提供了一种极其有效的手段。具体可以应用在导弹的紫外制导和紫外告警等方面。在民用方面，紫外探测器可用于火灾及燃烧过程的监视和与生化有关的检测等。发光波长在200-365nm之间的近紫外、紫外、深紫外波段的LEDs在高密度光学数据存储、水和空气净化与杀菌、以及白光照明领域有很大的应用前景。高质量的AlN及高Al组分Al_xGa_1-xN材料是深紫外探测器以及LEDs中的关键材料。AlN因其带隙较宽，被广泛应用于衬底层，而AlGaN是重要的有源区材料。高质量的Al_xGa_1-xN材料是实现深紫外发光和提高深紫外探测器探测性能的关键。

高Al组分的AlGaN材料生长在GaN模板层上会导致较严重的开裂现象，故AlN薄膜被广泛用来作为深紫外LED或探测器的模板层。AlN和高Al组分的Al_xGa_1-xN(0.5≤x＜1)目前已经成为研究的热点。和GaN相比，在蓝宝石衬底上异质外延AlN和Al_xGa_1-xN材料对生长条件的要求更为苛刻。因为Al原子比Ga原子的粘附系数大，Al原子表面迁移较低，横向生长速率慢，导致准二维层状生长模式很难形成，很难得到光滑的表面。这就要求薄膜的生长温度大于1200℃，而对于采用三区加热丝加热的MOCVD设备来说，1200℃为极限生长温度。而且，铝源(三甲基铝(TMAl))和氮源(氨气(NH₃))之间存在强烈的预反应，预反应形成的固体加成物会沉积在样品的生长表面而不能充分分解，导致外延层中杂质掺入，造成外延层的多晶生长。这些原因导致AlN延层的表面粗糙并且存在高达10¹⁰cm^-2的位错密度。

目前，国际国内通用的生长方法为在蓝宝石衬底上低温(温度600-900℃)生长20nm左右的AlN作为缓冲层，然后外延生长AlN或高Al组分Al_xGa_1-xN层。这种方法对缓冲层的生长条件要求较为苛刻，而且，低温AlN缓冲层不同于低温GaN缓冲层，在升温的过程中退火行为不明显，很难使接下来外延层的生长由三维模式变成二维模式，这样所得的外延层的表面比较粗糙，并且存在较高的位错密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AlN缓冲层的生长方法，将该方法生长的AlN缓冲层作为基础来外延生长AlN或Al_xGa_1-xN材料的外延层，可以有效降低外延层中的位错密度。

本发明的技术方案如下：

一种AlN缓冲层的生长方法，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，以高纯氢气(H₂)作为载气，TMAl和NH₃分别作为Al源和N源，控制温度为1050℃-1200℃，压力为100-200torr，V/III为400-800的条件下，采用交替通入TMAl和NH₃的脉冲方式在蓝宝石衬底上生长50-150个周期的AlN缓冲层，具体每个周期依次通入3-10s TMAl，3-10s载气，3-10s NH₃和3-10s载气。

通常，生长过程如下：