一种陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制备方法

摘要

一种陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制备方法，涉及一种超晶格结构。利用界面引入超薄阻挡－补偿插层方法，在金属有机物MOCVD生长的GaN/AlGaN超晶格的界面进行特殊处理，有效阻挡高温下界面金属元素扩散效应，以获得超陡峭、对称界面，使量子阱更为接近方势阱，增强量子限制效应。它通过调控外延生长参数特别是组分参数以实现超薄阻挡－补偿对层的插入，在MOCVD生长同时即可完成界面超陡处理。运用该方法外延生长的GaN/AlGaN超晶格结构的界面陡峭度可提高35％以上，克服了不同界面陡峭度的不对称性，大大提高了异质界面的质量，并使超晶格发光效率得到有效提升。

说明书

方法领域

本发明涉及一种超晶格结构，尤其是涉及采用阻挡插层的一种陡峭界面GaN/AlGaN超 晶格的制备方法。

背景方法

作为第三代半导体的主要材料体系，III族氮化物由InN、GaN、AlN三种直接带隙化 合物半导体及其组分连续可调的三元、四元合金组成，其禁带宽度从InN的0.7eV到AlN 的6.2eV连续可调，覆盖了从红外到紫外的波长范围，是迄今禁带宽度调制范围最宽的半 导体体系，并具有禁带宽度大、电子迁移率高、介电常数小、电子有效质量较小等一系列 优异的物理、化学性质。其材料特性使得它在光电子领域有着重要的应用前景。近年来， Ⅲ族氮化物基光电器件已得到迅速发展，并在半导体照明、高功率微波方法等领域取得重 要成果，并得以广泛应用。作为光电子器件的核心功能部件之一——异质结构，如量子阱， 超晶格等重要功能性结构，自然对于器件的性能和质量起到决定性的关键作用，也因此受 到特别的关注。制备高质量的半导体超晶格成为Ⅲ族氮化物基光电器件的关键科学问题和 难题之一。

由于Ⅲ族氮化物基光电器件普遍采用的蓝宝石衬底与上面的(Al)GaN外延层，存在较大 的晶格和热失配，同时，制备高晶体质量的高Al组分AlGaN外延层还存在较大的困难，这 些方面的问题严重制约了(Al)GaN基异质结构质量和性能的进一步快速发展。对于超晶格结 构而言，其异质界面的质量和陡峭程度，在整个结构中占着最为至关重要的地位，界面质量 的好坏直接决定该超晶格结构的光电性能。比如，陡峭的界面就可以获得更强的量子限制效 应，光电转换效率也就可以更好的提升，这就将大大地提升相关器件的整体性能。

近年来，在有关的报道（1：D.B.Li,M.Aoki,T.Katsuno,H.Miyake,K.Hiramatsu,and T. Shibata,J.Cryst.Growth298,500(2007).2：Y. T.Moon,D.J.Kim,K.M.Song,D.W. Kim,M.S. Yi,D.Y.Noh,and S.J.Park,J.Vac.Sci.Technol.,B18,2631(2000).）中，在异质界面生长过程 中采用中断吹氨方法可以在一定程度上改善界面的质量，提高界面平整度，从而提高超晶格 界面的质量。经过深入表征实验表明，虽然采用该方法在一定程度上可以改善AlGaN/GaN界 面（即GaN上界面）的平整性，但对于GaN/AlGaN（即GaN下界面）界面却有陡峭度的不 良影响，最终会导致上下界面的陡峭程度不对称现象，这一问题说明在高温生长条件下，Al 元素在界面处的扩散现象是十分可观而难以消弭的，如何阻挡该扩散、减小扩散深度成为方 法上的难题。

发明内容

本发明的目的旨在提供采用阻挡插层的一种陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将蓝宝石衬底置于反应室内，在H₂气氛下净化表面，通入Ga的反应源和NH₃，在 蓝宝石衬底上依次沉积GaN低温缓冲层和GaN高温缓冲层；

2）在GaN高温缓冲层上沉积GaN/AlGaN超晶格中的GaN阱层，沉积完后，关闭Ga 的反应源，对GaN阱层的表面在NH₃气氛下进行吹扫处理；

3）通入Al和Ga的反应源，在GaN阱层上沉积AlGaN超薄阻挡层，沉积完后，关闭 Al和Ga的反应源，对AlGaN阻挡层在NH₃气氛下进行吹扫处理；

4）通入Al和Ga的反应源，在AlGaN阻挡层上沉积超薄的Al组分高于AlGaN垒层 设计组分的AlGaN补偿层，沉积完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN补偿层在NH₃气氛下进行吹扫处理；

5）通入Al和Ga的反应源，在AlGaN补偿层上沉积GaN/AlGaN超晶格中的AlGaN 垒层，沉积完后，关闭Al和Ga的反应源，对AlGaN垒层在NH₃气氛下进行吹扫处理；

6）重复上述步骤2）到步骤5）若干次，直到完成周期性的GaN/AlGaN超晶格的制备；

7）在超晶格的表面覆盖上GaN盖层，若在超晶格结构之上，还设计有其他导电层结 构，盖层可以不使用；

8）利用XRD和AES测试手段对采用和未采用超薄阻挡补偿插层方法生长的超晶格进 行对比评价。

在步骤1）中，所述在H₂气氛下净化表面的净化时间可为5～20min；所述Ga的反应 源可采用TMGa或者TEGa；所述沉积GaN低温缓冲层的温度可为500～600℃，所述沉积 GaN高温缓冲层的温度可为900～1100℃；所述GaN低温缓冲层的厚度可为10～50nm， 所述GaN高温缓冲层的厚度可为1～3μm。

在步骤2）中，所述沉积GaN阱层的温度可为1000～1100℃；所述GaN阱层的厚度 可为2～5nm；所述吹扫处理的时间可为0～5s。

在步骤3）中，所述沉积AlGaN超薄阻挡层的温度可为1000～1200℃；所述Al和Ga 的反应源可为TMGa和TMAl或者TEGa和TEAl；所述AlGaN超薄阻挡层的Al组分小于 垒层设计组分10～20%，AlGaN超薄阻挡层的厚度可为0.2～0.5nm；所述在NH₃气氛下进 行吹扫处理的时间可为1～2s。

在步骤4）中，所述Al和Ga的反应源可为TMGa和TMAl或者TEGa和TEAl；所述 AlGaN超薄补偿层的厚度可为0.2～0.5nm；所述AlGaN补偿层的Al组分可高于垒层设计 组分5%～15%；所述在NH₃气氛下进行吹扫处理的时间可为1～2s。

在步骤5）中，所述Al和Ga的反应源可为TMGa和TMAl或者TEGa和TEAl；所述 AlGaN垒层的Al组分可为30%～60%；所述AlGaN垒层可为2～5nm；所述在NH₃气氛 下进行吹扫处理的时间可为5～10s。

在步骤6）中，所述周期性的GaN/AlGaN超晶格的周期数可为10～50个。

在步骤7）中，所述GaN盖层的厚度可为5～10nm。

本发明最主要的关键特点是：可以获得超陡峭、对称界面。它主要利用界面引入超薄 阻挡－补偿插层方法，在MOCVD方法生长的GaN/AlGaN超晶格的界面进行特殊处理，有 效阻挡高温下界面金属元素扩散效应，以获得超陡峭、对称界面，使量子阱更为接近方势 阱，增强量子限制效应。它通过调控外延生长参数特别是组分参数以实现超薄阻挡－补偿 对层的插入方法，在MOCVD生长同时即可完成界面超陡处理，方法简单、灵活、可操作 性强。而且更为重要的是它适用于各类AlGaN基超晶格、量子阱结构，运用范围广，实用 性高。

本发明针对GaN/AlGaN超晶格结构不同界面提供不同生长中断处理改善异质界面的质 量，通过在异质界面处插入超薄的阻挡－补偿对层，实现有效阻挡界面元素互扩散现象， 获得高对称的超陡峭超晶格。

附图说明

图1为GaN/AlGaN采用超薄阻挡-补偿插层方法的超晶格结构示意图。

图2为超薄阻挡－补偿插层方法提高异质界面陡峭度的机理示意图。首先在GaN层生 长完毕后，插入一超薄的低Al组分阻挡层；继而再插入一超薄的高Al组分补偿层，最后 进入AlGaN垒层的生长。

图3为采用超薄阻挡－补偿插层方法和未采用该方法制备的GaN/AlGaN超晶格结构的 XRD比较图。在图3中，横坐标为2θ(°),纵坐标为强度(a.u)。

图4为采用超薄阻挡－补偿插层方法和未采用该方法制备的GaN/AlGaN超晶格结构 的AES测量结果比较图。在图4中，左图为未采用超薄阻挡补偿插层方法制备的GaN/AlGaN 超晶格结构的AES测量结果，右图为采用该方法制备的GaN/AlGaN超晶格结构的AES测 量结果。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

1）将蓝宝石衬底置于反应室后将温度升至1050℃，在H₂气氛环境下去除表面的沾污， 净化表面，时间为10min。然后将温度降至550℃，通入TMGa和NH₃，沉积一20nm厚 的GaN低温缓冲层，接着再将温度升高至1050℃，沉积一厚为2μm的GaN高温缓冲层。

2）在1050℃温度下，在GaN高温缓冲层上沉积GaN/AlGaN超晶格中的GaN阱层， 厚度为5nm。

3）通入TMAl源，在1050℃温度下于GaN阱层上沉积Al组分为20%厚为0.5nm的 AlGaN超薄阻挡层。沉积完后，关闭TMAl源和TMGa源，对AlGaN阻挡层在NH₃气氛 下进行吹扫处理，时间为2s。我们采用这一超薄阻挡层的原因如下：如果是在没有这一超 薄阻挡层的情况下，由于下面的GaN阱层与上面AlGaN垒层的Al组分存在大的浓度梯度， 因此Al元素将会难以避免得从上面AlGaN垒层扩散到下面的GaN阱层。我们提出的超薄 较低Al组分AlGaN层则可以在很大程度上阻挡Al元素的扩散，减小扩散深度，使界面的 陡峭度得以提高。

4）通入TMAl源和TMGa源，在AlGaN超薄阻挡层上沉积超薄的Al组分高于垒层设 计组分15%的AlGaN补偿层。沉积完后，关闭TMAl源和TMGa源，对AlGaN补偿层在 NH₃气氛下进行吹扫处理，时间为2s。我们采用补偿层的理由如下：有采用超薄阻挡补偿 插层方法后的超晶格结构示意图如图1所示。由于AlGaN阻挡层的Al组分低于所设计的 AlGaN垒层组分，这将影响AlGaN垒层的组分均匀性，从而引入新的不平整，因此我们用 补偿法在其后又生长了超薄较高Al组分AlGaN层，利用其扩散作用，拉高超薄阻挡层的 组分，使平均组分稳定在AlGaN垒层设计组分，其演化过程如图2所示。这样通过阻挡Al 元素向GaN阱层的扩散同时又保证了AlGaN垒层的组分均匀性最终达到提高GaN上界面 陡峭度的目的。通过超薄阻挡－补偿对层在界面处的插入，可有效阻挡高温下高Al组分的 界面扩散作用，使得陡峭度得到有效的提升。

5）通入TMAl源和TMGa源，在AlGaN补偿层上沉积GaN/AlGaN超晶格中的Al组 分为40%，厚为2.5nm AlGaN垒层，沉积完后，关闭TMAl源和TMGa源，对AlGaN垒 层在NH₃气氛下进行10s的吹扫处理。

6）重复上述步骤2）到5）19次，直到完成20个周期的GaN/AlGaN超晶格的制备。

7）通入TMAl源，在超晶格的表面覆盖上5nm的GaN盖层。以保护超晶格结构，使 界面处理的效果得以保持。

8）利用XRD和AES测试手段对采用和未采用超薄阻挡补偿插层方法生长的两种超晶 格进行晶体界面质量的对比评价。

图3给出了XRD测量结果。由图中可以看到，用所发明方法制作的GaN/AlGaN超晶 格的卫星峰不仅在较高级如+2级的峰宽较之未采用该方法的超晶格样品得到了有效的降 低，而且更为关键的是前者还出现了+3级。这有力地说明了该方法有效地阻挡了界面元素 互扩散现象，减少了扩散深度，从而使得GaN/AlGaN超晶格的界面陡峭度得到了明显的改 善。

采用俄歇电子能谱（AES）测量以获得其GaN上下界面的陡峭度信息，如图4所示。 需注意的是该图中电子刻蚀的方向与生长方向相反。采用30%-70%标准来定标界面的陡峭 度。对于未运用该方法的GaN/AlGaN超晶格样品，其GaN下界面与上界面的陡峭度分别 为0.58nm、0.96nm，而采用了该方法外延生长的超晶格样品其GaN下界面与上界面的陡 峭度分别为0.57nm、0.62nm，其GaN上界面的陡峭度提高了35％。由此可以得出结论， 运用该方法外延生长的GaN/AlGaN超晶格结构，使界面的陡峭度得到了大幅度的提升，克 服了不同界面陡峭度的不对称性，实现了超陡峭、对称的异质界面，大大提高了GaN/AlGaN 超晶格界面的质量。

实施例2

该实施例方法和步骤与实施例1类似，但在以下几个方面的参数有所不同：

1.在实施例1的步骤1）中所述在H₂气氛下净化表面时间为5min；所述通入的Ga的 源为TEGa；GaN低温缓冲层的生长温度为500℃，厚度为10nm；GaN高温缓冲层的生长 温度为900℃，厚度为1μm。

2.在实施例1的步骤2）中所述通入Ga的源为TEGa；所述沉积GaN阱层的温度为 1000℃，厚度为2nm；沉积完后对GaN阱层在NH₃气氛下进行的吹扫处理时间为2s。

3.在实施例1的步骤3）中所述通入和关闭的源为TEGa和TEAl；所沉积的AlGaN超 薄阻挡层的Al组分比垒层设计组分小10%；阻挡层的沉积温度为1000℃，厚度为0.2nm； 沉积完后吹扫的时间为1s。

4.在实施例1的步骤4）中的通入源为TEGa和TEAl；所沉积的AlGaN超薄补偿层的 Al组分高于垒层设计组分5%；阻挡层的沉积温度为1000℃，厚度为0.2nm；沉积完后吹 扫的时间为1s。

5.在实施例1的步骤5）中的通入源为TEGa和TEAl；所沉积AlGaN垒层的Al组分 为30%，厚度为2nm；沉积完后吹扫的时间为5s。

6.在实施例1的步骤6）中所述的周期数为10个。

7.在实施例1的步骤7）中所述的GaN盖层厚度为7nm。

实施例3

该实施例方法和步骤与实施例1类似，但在以下几个方面的参数有所不同：

1.在实施例1的步骤1）中的H₂气氛下净化表面时间为20min；GaN低温缓冲层的生 长温度为600℃，厚度为10nm；GaN高温缓冲层的生长温度为1100℃，厚度为3μm。

2.在实施例1的步骤2）中的所述沉积GaN阱层的温度为1100℃；沉积GaN阱层后 吹扫处理时间为5s。

3.在实施例1的步骤3）中的所述沉积AlGaN超薄阻挡层的沉积温度为1200℃；沉积 完后的吹扫时间为1s。

4.在实施例1的步骤4）中的所述AlGaN超薄补偿层的沉积温度为1200℃，沉积完后 的吹扫时间为1s。

5.在实施例1的步骤5）中所述AlGaN垒层的的沉积温度为1200℃，Al组分为60%， 厚度为5nm。

6.在实施例1的步骤6）中的周期数为50个。

7.在实施例1的步骤7）中所述的GaN盖层厚度为10nm。

实施例4

该实施例方法和步骤与实施例1类似，但在以下几个方面的参数有所不同：

1.在实施例1的步骤1）中所述在H₂气氛下净化表面时间为15min;所述通入的Ga 的源为TEGa；GaN低温缓冲层的厚度为30nm；GaN高温缓冲层的生长温度为1000℃。

2.在实施例1的步骤2）中所述通入Ga的源为TEGa；所述沉积GaN阱层的厚度为3 nm；沉积完后对GaN阱层在NH₃气氛下进行的吹扫处理时间为3s。

3.在实施例1的步骤3）中所述通入和关闭的源为TEGa和TEAl；所沉积的AlGaN超 薄阻挡层的Al组分比垒层设计组分小15%；阻挡层的沉积温度为1100℃；

4.在实施例1的步骤4）中的通入源为TEGa和TEAl；所沉积的AlGaN超薄补偿层的 Al组分高于垒层设计组分10%；阻挡层的沉积温度为1100℃。

5.在实施例1的步骤5）中的通入源为TEGa和TEAl；所沉积AlGaN垒层的Al组分 为50%，厚度为5nm。

6.在实施例1的步骤6）中所述的周期数为30个。

实施例5

该实施例方法和步骤与实施例1类似，但在以下几个方面的参数有所不同：

1.在实施例1的步骤2）中所述沉积GaN阱层的厚度为4nm；沉积完后对GaN阱层 在NH₃气氛下进行的吹扫处理时间为4s。

2.在实施例1的步骤3）中所沉积的AlGaN超薄阻挡层的吹扫的时间为1s。

3.在实施例1的步骤6）中所述的周期数为40个。