[发明专利]一种交替供源制备的氮化物单晶薄膜及方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种在单晶衬底上利用In作为保护气氛，以Al浸润层和交替通入Al源、N源制备氮化铝缓冲层，从而改善氮化物单晶薄膜品质的交替供源制备的氮化物单晶薄膜及方法。属于宽禁带半导体外延材料技术领域。

背景技术

因缺乏高质量的单晶材料作为同质衬底，氮化物薄膜基本以大失配的异质外延方式制备。通常引入两步法来克服衬底与外延薄膜之间的晶格失配和热膨胀系数失配，可以获得较高质量的氮化物外延薄膜。 根据衬底种类的不同，多会采用氮化镓或氮化铝作为缓冲层。氮化铝缓冲层因为晶格常数较小，性质稳定，对其上生长的氮化物薄膜产生压应力，降低产生裂纹的几率，另外，因其绝缘性较好，在多种电子和微波器件中获得较多应用。

常规的外延方法都可以制备氮化铝缓冲层，但因为常规外延设备生长温度偏低的限制，其晶体质量还不能令人满意。生长氮化铝的方法有连续生长和交替通源生长法。连续生长法是氮化铝生长过程中保持Al源和N源无间断的持续通入，通过调整温度、压力、流量等工艺条件制备氮化铝；交替通源生长法是Al源和N源分别以脉冲方式交替通入，主要是避免预反应，在没有N源通入期间，相对增加了Al原子的表面迁移长度，可以在不提高生长温度的条件下，通过调整Al源和N源的通入时间、流量、间隔时间等条件改善氮化铝的质量。连续生长法的障碍是需要大幅提高外延设备的生长温度，面临电源、加热器、控制电路、反应室等改造难题。交替通源法的优点是不需提高生长温度，就可以改善氮化铝的制备。尽管交替通源法在一定程度上比连续生长法的效果要好，但改变的只是Al原子的表面长度，并没有从改变Al原子表面迁移速度这个根本原因来提高氮化铝的质量。

发明内容

本发明提出的是一种交替供源制备的氮化物单晶薄膜及方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷。在交替供源方法增加Al原子表面迁移长度，制备高质量氮化铝缓冲层的基础上，一方面引入In气氛的保护，有效提高Al原子在衬底表面的迁移速度，并且在氮化铝制备结束后持续通入一定时间，促使表面质量的改善；另一方面交替通源时，将Al源先通入衬底表面，这一步有两个作用，既是交替通源制备氮化铝的第一步，同时也可以在衬底表面形成浸润层，降低衬底的表面能，随后通入N源与Al浸润层生成氮化铝，提高了氮化铝的晶体质量。另外，在氮化铝制备结束后In源还要持续通入一段时间再关闭，保证了表面的平整度和光滑度。在不提高生长温度的情况下，能够进一步改善氮化物单晶薄膜的晶体质量和表面形貌，降低应力，避免了连续生长方法和交替供源法制备AlN缓冲层的不足。本发明具有方法简单，工艺难度小，容易实现等优点。

本发明的技术解决方案：一种利用交替供源制备的高质量氮化物晶薄膜，其结构是在单晶衬底上是氮化铝AlN缓冲层；在氮化铝AlN缓冲层上是氮化物单晶薄膜。

其制备方法，包括如下工艺步骤：

a)单晶衬底放入反应室，高温烘烤；

b)在单晶衬底上制备Al浸润层；

c)在浸润层上制备氮化铝AlN缓冲层；

d)在氮化铝AlN缓冲层上制备氮化物单晶薄膜；

e)降至室温，取出。

本发明的优点：1）AlN缓冲层制备过程和制备结束后一段时间内均采用In气氛保护，有效增加Al原子的迁移速度，提高氮化铝缓冲层的晶体质量和表面的光滑。2）采用Al浸润层降低表面能，改善氮化铝缓冲层的应力和晶体质量。3）交替生长的AlN缓冲层有助于实现二维生长，缓冲氮化物单晶薄膜的应力，提高晶体和表面质量。4）结构简单，制备工艺可控。5）成本低，应用广泛，可以生长氮化物系列单晶薄膜与多层结构。

附图说明

附图1是制备氮化物单晶薄膜的结构示意图。

附图2是氮化铝缓冲层制备过程中In源、Al源和N源的通入顺序示意图。

图中的1是单晶衬底、2是氮化铝（AlN）缓冲层、3是氮化物单晶薄膜。

具体实施方式

对照附图1、2，高质量氮化物晶薄膜，其结构是在单晶衬底1上是氮化铝AlN缓冲层2；在氮化铝AlN缓冲层上是氮化物单晶薄膜3。

其制备方法，包括如下工艺步骤：

a)单晶衬底放入反应室，高温烘烤；

b)在单晶衬底上制备Al浸润层；

c)在浸润层上制备氮化铝AlN缓冲层；

d)在氮化铝AlN缓冲层上制备氮化物单晶薄膜；

e)降至室温，取出。

所述单晶衬底为蓝宝石、碳化硅（SiC）、硅（Si）、氮化镓、氮化铝、绝缘体上硅（SOI）或铝酸锂。