[发明专利]高In组分AlInN薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体氮化物材料生长领域，特别涉及到高In组分的AlInN薄膜的制备方法，主要是采用三种优化的缓冲层结构设计来外延AlInN。

背景技术

三元合金材料AlInN是直接带隙材料，其带隙宽度从0.7到6.2eV可调，是氮化物合金中带隙可调范围最宽的材料。同时，AlInN晶格常数也有很大的可调范围，通过调节组分配比，可以得到AlInN/InGaN、AlInN/GaN和AlInN/AlGaN等晶格匹配的异质结构，如果将其作为半导体发光器件中的有源层，其发光波长覆盖了从红外到紫外的波谱范围。因此AlInN材料广泛用于发光二极管、太阳盲光电探测器、高电子迁移率晶体管等光电子器件中。

尽管AlInN具有巨大的应用前景，但是与AlGaN和InGaN相比，AlInN的生长要困难的多。目前生长AlInN薄膜，主要采用MOCVD和MBE，难以获得高质量的AlInN薄膜主要有两方面原因：一是AlN和InN的生长温度差异较大。如在MOCVD中InN的生长温度约为600℃，而AlN的生长温度约为1200℃甚至更高。二是AlN和InN在晶格常数，键长等物理性质上差异较大，因此生长的AlInN容易出现组分波动或者相分离。

目前生长AlInN，最常用的方法是先采用两步法生长出高质量的GaN缓冲层，然后再生长AlInN外延层，这种方法对于生长低In组分的AlInN效果较好。因为AlN、GaN、InN的面内晶格常数分别为3.112、3.189、3.548InN的面内晶格常数与AlN和GaN差别较大。AlInN中，当In组分较低时，AlInN与GaN晶格常数比较接近，特别是当In-18％时，此时AlInN与GaN晶格常数匹配。所以目前报道的AlInN外延薄膜，采用GaN缓冲层，多数情况下，与GaN晶格匹配的AlInN薄膜质量最好。当AlInN中In＞18％时，随着In组分的升高，AlInN与缓冲层GaN的晶格失配越来越大，导致薄膜质量变差。另一方面，高In组分的AlInN是实现AlInN合金带隙大范围可调，以及AlInN/InGaN晶格匹配异质结必不可少的组成部分。所以我们有必要改进生长工艺，优化缓冲层的结构设计，以提高高In组分的AlInN薄膜质量。

发明内容

本发明提供了高In组分AlInN薄膜的制备方法，主要是在传统GaN缓冲层的基础上，设计了三种新的缓冲层结构。采用传统GaN缓冲层生长AlInN时，高In组分AlInN与GaN缓冲层间存在大的晶格失配。新的缓冲层结构设计，可以使应力逐渐的释放，降低晶格失配的影响，减少生长过程中引入的位错。

本发明一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlInN连续渐变缓冲层；

步骤4：在连续渐变缓冲层上生长AlInN层。

本发明还提供一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长AlInN跃变缓冲层；

步骤4：在AlInN跃变缓冲层上生长AlInN层。

本发明又提供一种高In组分AlInN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长低温GaN形核层；

步骤2：在低温GaN形核层上生长高温GaN缓冲层；

步骤3：在高温GaN缓冲层上生长InN/AlN超晶格缓冲层；

步骤4：在超晶格缓冲层上生长AlInN层。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过优化缓冲层设计，能够有效的降低高In组分AlInN与GaN缓冲层大的晶格失配影响，改善AlInN外延薄膜质量。AlInN中，当In组分大于18％时，由于InN的面内晶格常数比GaN、AlN大很多，如果仅仅只采用GaN缓冲层，随着In组分的增加，AlInN与GaN缓冲层的晶格失配越来越大。大的晶格失配会在薄膜生长过程中产生应力，应力的释放导致位错的产生，这样薄膜质量就很难提高。在GaN缓冲层的基础上，我们优化了缓冲层结构，AlInN组分渐变缓冲层和AlInN组分跃变缓冲层可以使应力在缓冲层中逐渐释放，降低晶格失配带来的影响。而超晶格缓冲层，通过逐渐改变InN/AlN的厚度比，既实现了应力逐步释放，又可以过滤位错，提高AlInN薄膜的质量。