一种生长高质量单晶氮化铟薄膜的方法

摘要

本发明公开一种生长高质量单晶氮化铟薄膜的方法，先在硅衬底上利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生长一层AlN缓冲层，然后继续利用MOCVD技术生长InN单晶外延，并在InN单晶外延的生长过程中，通入四氯化碳CCl4。此方法可以提高InN单晶外延的晶体质量。

说明书

技术领域

本发明涉及氮化铟InN的MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生长方法，特别涉及了生长高质量单晶InN外延薄膜的方法。

背景技术

作为第三代半导体材料的III-V族氮化物：氮化镓GaN，氮化铟InN，氮化铝AlN及其合金材料都是直接带隙半导体材料，具有禁带分布范围大，覆盖了从红光到紫外的波段，可用于制作发光二极管，激光器，探测器和太阳能电池等，在全色显示白光照明，高密度存储，紫外探测等方面有广泛的应用。另一方面，由于GaN基材料的禁带宽度大，击穿电压高，电子饱和速度大，热稳定性好，抗腐蚀性强，介电常数小等优点，被广泛用于制作高电子迁移率晶体管，双极晶体管，长效应晶体管等微电子器件，适合在高温，大功率以及恶劣环境下工作。

近期的一些研究结果表明纤锌矿结构的InN室温禁带宽度为约0.7eV(电子伏特)，而不是以前一直被广泛引用的1.89eV，因此产生了对于InN禁带宽度的不确定性的争论。根据InN的这个新的禁带宽度，III族氮化物基的光电子器件的发光波段范围将从紫外拓展到近红外。基于这个优势，III族氮化物体系的一个重要潜在应用就是制备完全基于氮化物的高光电转换效率太阳能电池。其中，对于InGaN(铟镓氮)三元合金，通过改变In与Ga的比例便可获得由0.7eV到3.4eV这区域中各种不同能带宽度，这个能量范围几乎覆盖整个太阳光谱(0.4-4eV)。这不仅会降低材料制备的成本，并且使得结构的设计和制备更加灵活，最重要的是有望获得更高的光电转换效率(>70％)。同时，InN自身发光接近1.55微米的通信波段，也为制作高速通信用LD(激光二极管)和LED(发光二极管)提供了可能性。

另外，理论预测还表明InN相比于其它的III族氮化物有着最小的有效质量，具有最高的载流子迁移率，在室温(300K)和低温(77K)下，GaN的电子迁移率最高分别为1000cm²/vs和6000cm²/vs，而InN的电子迁移率最高则分别可以达到4400cm²/vs和30000cm²/vs。InN在室温下有比较高的电子峰值漂移速率，电子饱和速度也大大高于GaAs和GaN，而且它的电子漂移速度受温度和掺杂浓度变化的影响较小，所以它在高速微电子器件方面有着很广阔的应用前景。

目前，世界上比较流行的Si上生长InN单晶薄膜的方法是直接在Si上沉积InN；或者是生长一层低温InN缓冲层，然后生长InN；也有生长一层AlN缓冲层，再生长InN。前两种方法因为生长条件比较难把握，得到的晶体质量不高。第三种的方法生长出来的InN会伴随产生许多金属In滴的产生。因为InN的生长温度偏低(原因是InN的饱和蒸汽压偏高)，而在较低的温度范围内，氨气的裂解效率很低，造成合成InN的五族源不充分，部分In就形成金属In出现在样品表面。

发明内容

本发明的目的在于提出一种生长高质量单晶InN薄膜的方法，以提高InN单晶外延的晶体质量。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种生长高质量单晶InN薄膜的方法，先在硅(Si)衬底上利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生长AlN缓冲层，然后继续利用MOCVD技术生长InN单晶外延，并在InN单晶外延的生长过程中，通入四氯化碳CCl₄。

所述AlN缓冲层的生长温度范围为1050℃-1110℃。

所述AlN缓冲层的生长厚度范围为10纳米(nm)-200纳米(nm)。

所述AlN缓冲层的生长V/III比(就是反应所需要的五族源的摩尔量和三族源的摩尔量之比)为4000-6000。

所述AlN缓冲层的生长压力为20托(Torr)-100托(Torr)。

所述InN单晶外延的生长温度范围为400℃-600℃。

所述InN单晶外延的生长压力范围为20托(Torr)-700托(Torr)。

所述InN单晶外延的生长V/III比为3000-20000。

所述InN单晶外延的生长过程中，通入的CCl₄的流量为0.1微摩尔/分钟(umol/min)-10微摩尔/分钟(umol/min)。

所述AlN缓冲层生长时，先通入金属有机源铝Al(例如TMAl)，通入时间为5秒-300秒，然后才通入氨气。

采用上述方案后，本发明在硅衬底上生长AlN缓冲层，AlN缓冲层的作用是减少衬底的Si向InN外延层扩散，降低晶格失配，并且，本发明在AlN缓冲层基础之上继续生长InN单晶外延，除了通入反应所需要的V族源和III族源，通入CCl₄，CCl₄中的Cl原子会与反应室内的H原子结合，生成非常微量的HCl，HCl具有腐蚀性，微量的HCl会腐蚀那些在生长过程中由于生长温度偏低而偏析出来的金属In滴，这样，CCl₄就可以抑制InN生长过程中产生的金属In滴。所以，本发明提高InN单晶外延的晶体质量，得到高质量单晶InN薄膜。

附图说明

图1是本发明方法生长对应的材料结构图；

图2是本发明方法生长的单晶InN薄膜的X射线衍射分析(XRD)扫描图；

图3是本发明方法生长的单晶InN薄膜的光致发光图谱。

具体实施方式

如图1所示，本发明是先在硅(Si)衬底1上利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生长一层AlN缓冲层2，此为本发明的关键之一，然后继续利用MOCVD技术生长高质量的InN单晶外延3，并在InN单晶外延3的生长过程中，通入四氯化碳CCl₄，进行抑制金属In滴产生的处理，此为本发明的关键之二。

本发明在Si衬底(layer)1上生长AlN缓冲层2和InN单晶外延3的优化生长条件范围如表1所示。

表1 Si衬底上生长AlN缓冲层和InN单晶外延的优化生长条件范围

 

layer生长厚度(nm)生长温度(℃)生长压力(mbar)V/III材料高温处理无300-100020-700无Si缓冲层10-2001050-111020-1004000-6000AlNInN300-500400-60020-7003000-20000InN

本发明的具体生长包括以下步骤：

1.在MOCVD系统中，在300℃-1000℃的温度下，对Si衬底1进行去水气处理，载气为氢气，处理时间为10分钟-15分钟，压力为20Torr-700Torr。

2.升温进行AlN缓冲层2的生长，载气为氢气。在生长AlN缓冲层2时，首先通入金属有机源Al(例如TMAl)5秒-300秒，然后再通入氨气，进行AlN缓冲层2的生长。

AlN缓冲层2的生长温度为1050℃-1110℃，生长厚度为10nm-70nm，生长V/III比为4000-6000，生长压力为20Torr-100Torr。

3.降温进行InN单晶外延3的生长，载气切换为氮气。

生长InN单晶外延3的温度为400℃-600℃，生长V/III比为3000-20000，生长压力为20Torr-700Torr，生长压力控制在650-750Torr。

在生长InN单晶薄膜过程中，通入CCl₄以抑制InN生长过程中的金属In滴产生，通入的剂量控制在0.1umol/min-10umol/min。在这里要注意的是，这个方法使用的过程中，不能通入过量的CCl4，因为过多的HCl在腐蚀金属In滴的同时也会腐蚀InN外延表面，影响整个InN外延的晶体质量，只有剂量控制得当，才可以做到只腐蚀金属In滴而不会腐蚀到InN；同时如果剂量少了，那腐蚀金属In滴的效果就减弱。

如图2所示，是本发明方法生长的单晶InN薄膜的X射线衍射分析(XRD)扫描图；从图中可见，本发明生长出来的InN薄膜质量良好，并且从XRD谱中未见明显的金属In滴信息，说明通入的CCl₄明显起到了抑制金属InN滴产生的作用。

如图3所示，是本发明方法生长的单晶InN薄膜的光致发光图谱，说明本发明生长出来的InN薄膜具有良好的光电性质，光致发光结果说明所长InN单晶薄膜禁带宽度在0.7ev左右。Hall(霍尔)测试结果具有900cm²/vs的迁移率，载流子浓度在5×10¹⁸cm³范围内。