[发明专利]一种具有原位SiN位错湮灭层的AlGaN薄膜及其外延生长方法

说明书

本发明公开了一种具有原位SiN位错湮灭层的AlGaN薄膜及其外延生长方法，该方法步骤包括：在蓝宝石衬底上外延生长AlN膜层；在所述AlN膜层上外延生长第一AlGaN薄膜层；在所述第一AlGaN薄膜层上采用氢气腐蚀出位错坑；在所述位错坑表面原位沉积SiN位错湮灭层；在所述SiN位错湮灭层上外延生长第二AlGaN薄膜层。本发明通过在第一AlGaN薄膜层上先腐蚀出位错坑再进行SiN原位填补的方式，一方面能够使第二AlGaN薄膜层及后续膜层在生长过程中便同步进行了图形化处理，避免了将外延片取出进行复杂的刻蚀工艺，以及取出刻蚀时引入杂质的问题；另一方面，由于SiN位错湮灭层是同位错坑相对应的岛状分布结构，这种结构更利于第二AlGaN薄膜层的生长愈合。

技术领域

本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有原位SiN位错湮灭层的AlGaN薄膜及其外延生长方法。

背景技术

目前AlGaN作为第三代新型宽禁带半导体材料的重要代表之一，具有宽的直接带隙，高的击穿电压、大的电子饱和速度、耐高温、抗辐射等特点，因而AlGaN材料及低维量子结构在制作紫外探测器、紫外LED以及紫外红外双色探测器件和高频微波功率器件等方面具有传统半导体材料无法比拟的优势，在光电子产业、生物医疗产业、国防工业等领域具有重要的应用前景，是支持未来光电子技术、微电子技术和通信技术等高新技术产业发展的关键性基础材料。

然而，要实现上述应用，高质量AlGaN材料的获得是关键。由于AlGaN体材料衬底的缺失，目前AlGaN薄膜主要是在c面蓝宝石衬底上异质外延生长的，两者之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，从而导致AlGaN材料易龟裂，难以获得较厚的AlGaN薄膜。利用类似于GaN外延的两步法生长技术来生长AlGaN传统的MOCVD生长方法，将Ga源、Al源等有机金属源与N源同时进入生长反应室，由于提供Al的TMA源活性非常高，在高温下容易和N源产生晶体生长中所不希望的气相预反应。而且Al原子与生长表面的粘附系数很大，在表面难以迁移，容易导致AlGaN材料的三维岛状生长。以上这些因素都将导致传统MOCVD方法所生长的AlGaN薄膜存在高密度的位错等缺陷和较大的内部张应力。随着AlGaN中掺杂浓度的增加，AlGaN材料的缺陷密度、张应力及所引起的外延层龟裂、和表面粗化等问题均愈加严重，导致生长高晶体质量AlGaN材料的难度增大。对于高Al组份AlGaN材料的生长，这些问题尤为明显。高密度的位错会导致紫外LED发光性能变差，紫外探测器的稳定性变差，从而制约了AlGaN基光电子器件的应用与发展。目前，有关如何生长高质量的AlGaN材料及其器件结构正成为国际上宽禁带半导体材料领域的研究热点之一。美国、日本、欧洲和我国多个研究小组正在从事该领域的研究，并取得了一些进展。但高质量的AlGaN薄膜制备依然存在许多有待解决的问题，所报道的AlGaN薄膜晶体质量离高品质的器件应用还存在一定的差距。要提高AlGaN材料的晶体质量，需要克服Al原子在生长表面迁移率较低、异质外延晶格失配度较大、位错穿透等基本问题，需要从生长方法等方面进行改进。

2002年，J.P.Zhang等人采用脉冲式原子层外延生长技术在AlN缓冲层上生长出了AlGaN材料，将其(002)的XRC半高宽降到了18arcsec，但是(102)的仍然很大，LED器件性能改善不大。此外，脉冲式生长AlGaN的速度比较慢，因此不可能获得很厚的AlGaN材料，很难推广AlGaN基器件的产业化应用。2010年，V.Kueller等人报道了在AlN/Sapphire上刻蚀出图形，然后在上面生长出厚度超过5μm的AlGaN材料，将(102)面的XRC半高宽从1000arcsec降低到500arcsec。虽然这样的晶体质量仍然不能满足高性能器件的要求，但是该结果表明采用图形化技术可以实现AlGaN厚膜生长，并且能够有效地降低刃位错。然而，该技术是在生长好的AlN薄膜上采用刻蚀的方法刻出图形，然后进行二次生长。这样在整个工艺过程中会引入杂质等问题，而且工艺非常复杂。故需要提出一种新的AlGaN薄膜外延生长方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容