專利名稱：一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法
—種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種超晶格結(jié)構(gòu)，尤其是涉及采用阻擋插層的一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法。背景方法作為第三代半導體的主要材料體系，III族氮化物由InN、GaN, AlN三種直接帶隙化合物半導體及其組分連續(xù)可調(diào)的三元、四元合金組成，其禁帶寬度從InN的0.7eV到AlN的6.2eV連續(xù)可調(diào)，覆蓋了從紅外到紫外的波長范圍，是迄今禁帶寬度調(diào)制范圍最寬的半導體體系，并具有禁帶寬度大、電子遷移率高、介電常數(shù)小、電子有效質(zhì)量較小等一系列優(yōu)異的物理、化學性質(zhì)。其材料特性使得它在光電子領(lǐng)域有著重要的應用前景。近年來，III族氮化物基光電器件已得到迅速發(fā)展，并在半導體照明、高功率微波方法等領(lǐng)域取得重要成果，并得以廣泛應用。作為光電子器件的核心功能部件之一——異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如量子阱，超晶格等重要功能性結(jié)構(gòu)，自然對于器件的性能和質(zhì)量起到?jīng)Q定性的關(guān)鍵作用，也因此受到特別的關(guān)注。制備高質(zhì)量的半導體超晶格成為III族氮化物基光電器件的關(guān)鍵科學問題和難題之一 O由于III族氮化物基光電器件普遍采用的藍寶石襯底與上面的(Al)GaN外延層，存在較大的晶格和熱失配，同時，制備高晶體質(zhì)量的高Al組分AlGaN外延層還存在較大的困難，這些方面的問題嚴重制約了(Al)GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和性能的進一步快速發(fā)展。對于超晶格結(jié)構(gòu)而言，其異質(zhì)界面的質(zhì)量和陡峭程度，在整個結(jié)構(gòu)中占著最為至關(guān)重要的地位，界面質(zhì)量的好壞直接決定該超晶格結(jié)構(gòu)的光電性能。比如，陡峭的界面就可以獲得更強的量子限制效應，光電轉(zhuǎn)換效率也就可以更好的提升，這就將大大地提升相關(guān)器件的整體性倉泛。近年來，在有關(guān)的報道(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.ff.Kim, M.S.Yi, D.Y.Noh, and S.J.Park, J.Vac.Sc1.Technol.,B18, 2631(2000).)中，在異質(zhì)界面生長過程中采用中斷吹氨方法可以在一定程度上改善界面的質(zhì)量，提高界面平整度，從而提高超晶格界面的質(zhì)量。經(jīng)過深入表征實驗表明，雖然采用該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，但對于GaN/AlGaN (即GaN下界面)界面卻有陡峭度的不良影響，最終會導致上下界面的陡峭程度不對稱現(xiàn)象，這一問題說明在高溫生長條件下，Al元素在界面處的擴散現(xiàn)象是十分可觀而難以消弭的，如何阻擋該擴散、減小擴散深度成為方法上的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供采用阻擋插層的一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法。本發(fā)明包括以下步驟:I)將藍寶石襯底置于反應室內(nèi)，在H2氣氛下凈化表面，通入Ga的反應源和NH3,在藍寶石襯底上依次沉積GaN低溫緩沖層和GaN高溫緩沖層；
2 )在GaN高溫緩沖層上沉積GaN/AlGaN超晶格中的GaN阱層，沉積完后，關(guān)閉Ga的反應源，對GaN阱層的表面在NH3氣氛下進行吹掃處理；
3)通入Al和Ga的反應源，在GaN阱層上沉積AlGaN超薄阻擋層，沉積完后，關(guān)閉Al和Ga的反應源，對AlGaN阻擋層在NH3氣氛下進行吹掃處理；
4)通入Al和Ga的反應源，在AlGaN阻擋層上沉積超薄的Al組分高于AlGaN壘層設計組分的AlGaN補償層，沉積完后，關(guān)閉Al和Ga的反應源，對AlGaN補償層在NH3氣氛下進行吹掃處理；
5)通入Al和Ga的反應源，在AlGaN補償層上沉積GaN/AlGaN超晶格中的AlGaN壘.層，沉積完后，關(guān)閉Al和Ga的反應源，對AlGaN魚層在NH3氣氛下進行吹掃處理；
6)重復上述步驟2)到步驟5)若干次，直到完成周期性的GaN/AlGaN超晶格的制備;
7)在超晶格的表面覆蓋上GaN蓋層，若在超晶格結(jié)構(gòu)之上，還設計有其他導電層結(jié)構(gòu)，蓋層可以不使用；
8)利用XRD和AES測試手段對采用和未采用超薄阻擋補償插層方法生長的超晶格進行對比評價。
在步驟I)中，所述在H2氣氛下凈化表面的凈化時間可為5 20min ;所述Ga的反應源可采用TMGa或者TEGa ;所述沉積GaN低溫緩沖層的溫度可為500 600°C，所述沉積GaN高溫緩沖層的溫度可為900 1100°C ;所述GaN低溫緩沖層的厚度可為10 50nm，所述GaN高溫緩沖層的厚度可為I 3 μ m。
在步驟2)中，所述沉積GaN阱層的溫度可為1000 1100°C ;所述GaN阱層的厚度可為2 5nm ;所述吹掃處理的時間可為O 5s。
在步驟3)中，所述沉積AlGaN超薄阻擋層的溫度可為1000 1200°C ;所述Al和Ga的反應源可為TMGa和TMAl或者TEGa和TEAl ;所述AlGaN超薄阻擋層的Al組分小于壘層設計組分10 20%，AlGaN超薄阻擋層的厚度可為0.2 0.5nm ;所述在NH3氣氛下進行吹掃處理的時間可為I 2s。
在步驟4)中，所述Al和Ga的反應源可為TMGa和TMAl或者TEGa和TEAl ;所述AlGaN超薄補償層的厚度可為0.2 0.5nm ;所述AlGaN補償層的Al組分可高于壘層設計組分5% 15% ;所述在NH3氣氛下進行吹掃處理的時間可為I 2s。
在步驟5)中，所述Al和Ga的反應源可為TMGa和TMAl或者TEGa和TEAl ;所述AlGaN壘層的Al組分可為30% 60% ;所述AlGaN壘層可為2 5nm ;所述在NH3氣氛下進行吹掃處理的時間可為5 10s。
在步驟6)中，所述周期性的GaN/AlGaN超晶格的周期數(shù)可為10 50個。
在步驟7)中，所述GaN蓋層的厚度可為5 10nm。
本發(fā)明最主要的關(guān)鍵特點是:可以獲得超陡峭、對稱界面。它主要利用界面引入超薄阻擋一補償插層方法，在MOCVD方法生長的GaN/AlGaN超晶格的界面進行特殊處理，有效阻擋高溫下界面金屬元素擴散效應，以獲得超陡峭、對稱界面，使量子阱更為接近方勢阱，增強量子限制效應。它通過調(diào)控外延生長參數(shù)特別是組分參數(shù)以實現(xiàn)超薄阻擋一補償對層的插入方法，在MOCVD生長同時即可完成界面超陡處理，方法簡單、靈活、可操作性強。而且更為重要的是它適用于各類AlGaN基超晶格、量子阱結(jié)構(gòu)，運用范圍廣，實用性高。本發(fā)明針對GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)不同界面提供不同生長中斷處理改善異質(zhì)界面的質(zhì)量，通過在異質(zhì)界面處插入超薄的阻擋一補償對層，實現(xiàn)有效阻擋界面元素互擴散現(xiàn)象，獲得聞對稱的超陸峭超晶格。


圖1為GaN/AlGaN采用超薄阻擋-補償插層方法的超晶格結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為超薄阻擋一補償插層方法提高異質(zhì)界面陡峭度的機理示意圖。首先在GaN層生長完畢后，插入一超薄的低Al組分阻擋層；繼而再插入一超薄的高Al組分補償層，最后進入AlGaN壘層的生長。圖3為采用超薄阻擋一補償插層方法和未采用該方法制備的GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)的XRD比較圖。在圖3中，橫坐標為2 Θ (° )，縱坐標為強度(a.u)。圖4為采用超薄阻擋一補償插層方法和未采用該方法制備的GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)的AES測量結(jié)果比較圖。在圖4中，左圖為未采用超薄阻擋補償插層方法制備的GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)的AES測量結(jié)果，右圖為采用該方法制備的GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)的AES測量結(jié)果。
具體實施例方式以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。實施例1I)將藍寶石襯底置于反應室后將溫度升至10501:，在H2氣氛環(huán)境下去除表面的沾污，凈化表面，時間為lOmin。然后將溫度降至550°C，通入TMGa和NH3,沉積一 20nm厚的GaN低溫緩沖層，接著再將溫度升高至1050°C，沉積一厚為2 μ m的GaN高溫緩沖層。2)在1050°C溫度下，在GaN高溫緩沖層上沉積GaN/AlGaN超晶格中的GaN阱層，厚度為5nm。3)通入TMAl源，在1050°C溫度下于GaN阱層上沉積Al組分為20%厚為0.5nm的AlGaN超薄阻擋層。沉積完后，關(guān)閉TMAl源和TMGa源，對AlGaN阻擋層在NH3氣氛下進行吹掃處理，時間為2s。我們采用這一超薄阻擋層的原因如下:如果是在沒有這一超薄阻擋層的情況下，由于下面的GaN阱層與上面AlGaN壘層的Al組分存在大的濃度梯度，因此Al元素將會難以避免得從上面AlGaN壘層擴散到下面的GaN阱層。我們提出的超薄較低Al組分AlGaN層則可以在很大程度上阻擋Al元素的擴散，減小擴散深度，使界面的陡峭度得以提聞。4)通入TMAl源和TMGa源，在AlGaN超薄阻擋層上沉積超薄的Al組分高于壘層設計組分15%的AlGaN補償層。沉積完后，關(guān)閉TMAl源和TMGa源，對AlGaN補償層在NH3氣氛下進行吹掃處理，時間為2s。我們采用補償層的理由如下:有采用超薄阻擋補償插層方法后的超晶格結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由于AlGaN阻擋層的Al組分低于所設計的AlGaN壘層組分，這將影響AlGaN壘層的組分均勻性，從而引入新的不平整，因此我們用補償法在其后又生長了超薄較高Al組分AlGaN層，利用其擴散作用，拉高超薄阻擋層的組分，使平均組分穩(wěn)定在AlGaN壘層設計組分，其演化過程如圖2所示。這樣通過阻擋Al元素向GaN阱層的擴散同時又保證了 AlGaN壘層的組分均勻性最終達到提高GaN上界面陡峭度的目的。通過超薄阻擋一補償對層在界面處的插入，可有效阻擋高溫下高Al組分的界面擴散作用，使得陡峭度得到有效的提升。
5)通入TMAl源和TMGa源，在AlGaN補償層上沉積GaN/AlGaN超晶格中的Al組分為40%，厚為2.5nm AlGaN壘層，沉積完后，關(guān)閉TMAl源和TMGa源，對AlGaN壘層在NH3氣氛下進行IOs的吹掃處理。
6)重復上述步驟2)到5) 19次，直到完成20個周期的GaN/AlGaN超晶格的制備。
7)通入TMAl源，在超晶格的表面覆蓋上5nm的GaN蓋層。以保護超晶格結(jié)構(gòu)，使界面處理的效果得以保持。
8)利用XRD和AES測試手段對采用和未采用超薄阻擋補償插層方法生長的兩種超晶格進行晶體界面質(zhì)量的對比評價。
圖3給出了 XRD測量結(jié)果。由圖中可以看到,用所發(fā)明方法制作的GaN/AlGaN超晶格的衛(wèi)星峰不僅在較高級如+2級的峰寬較之未采用該方法的超晶格樣品得到了有效的降低，而且更為關(guān)鍵的是前者還出現(xiàn)了+3級。這有力地說明了該方法有效地阻擋了界面元素互擴散現(xiàn)象，減少了擴散深度，從而使得GaN/AlGaN超晶格的界面陡峭度得到了明顯的改善。
采用俄歇電子能譜(AES)測量以獲得其GaN上下界面的陡峭度信息，如圖4所示。需注意的是該圖中電子刻蝕的方向與生長方向相反。采用30%-70%標準來定標界面的陡峭度。對于未運用該方法的GaN/AlGaN超晶格樣品，其GaN下界面與上界面的陡峭度分別為0.58nm、0.96nm,而采用了該方法外延生長的超晶格樣品其GaN下界面與上界面的陡峭度分別為0.57nm、0.62nm，其GaN上界面的陡峭度提高了 35%。由此可以得出結(jié)論，運用該方法外延生長的GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)，使界面的陡峭度得到了大幅度的提升，克服了不同界面陸峭度的不對稱性，實現(xiàn)了超陸峭、對稱的異質(zhì)界面，大大提聞了 GaN/AlGaN超晶格界面的質(zhì)量。
實施例2
該實施例方法和步驟與實施例1類似，但在以下幾個方面的參數(shù)有所不同:
1.在實施例1的步驟I)中所述在H2氣氛下凈化表面時間為5min ;所述通入的Ga的源為TEGa ;GaN低溫緩沖層的生長溫度為500°C，厚度為IOnm ；GaN高溫緩沖層的生長溫度為900°C，厚度為Ιμπι。
2.在實施例1的步驟2)中所述通入Ga的源為TEGa ;所述沉積GaN阱層的溫度為IOOO0C，厚度為2nm ;沉積完后對GaN阱層在NH3氣氛下進行的吹掃處理時間為2s。
3.在實施例1的步驟3)中所述通入和關(guān)閉的源為TEGa和TEAl ;所沉積的AlGaN超薄阻擋層的Al組分比壘層設計組分小10% ;阻擋層的沉積溫度為1000°C，厚度為0.2nm ；沉積完后吹掃的時間為Is。
4.在實施例1的步驟4)中的通入源為TEGa和TEAl ;所沉積的AlGaN超薄補償層的Al組分高于壘層設計組分5% ;阻擋層的沉積溫度為1000°C，厚度為0.2nm ;沉積完后吹掃的時間為Is。
5.在實施例1的步驟5)中的通入源為TEGa和TEAl ;所沉積AlGaN壘層的Al組分為30%,厚度為2nm ;沉積完后吹掃的時間為5s。
6.在實施例1的步驟6)中所述的周期數(shù)為10個。7.在實施例1的步驟7)中所述的GaN蓋層厚度為7nm。實施例3該實施例方法和步驟與實施例1類似，但在以下幾個方面的參數(shù)有所不同:1.在實施例1的步驟I)中的H2氣氛下凈化表面時間為20min ；GaN低溫緩沖層的生長溫度為600°C，厚度為IOnm5GaN高溫緩沖層的生長溫度為1100°C，厚度為3 μ m。2.在實施例1的步驟2)中的所述沉積GaN阱層的溫度為1100°C ;沉積GaN阱層后吹掃處理時間為5s。3.在實施例1的步驟3)中的所述沉積AlGaN超薄阻擋層的沉積溫度為1200°C ；沉積完后的吹掃時間為Is。4.在實施例1的步驟4)中的所述AlGaN超薄補償層的沉積溫度為1200°C，沉積完后的吹掃時間為Is。5.在實施例1的步驟5)中所述AlGaN壘層的的沉積溫度為1200°C，Al組分為60%,厚度為5nm。6.在實施例1的步驟6)中的周期數(shù)為50個。7.在實施例1的步驟7)中所述的GaN蓋層厚度為10nm。實施例4該實施例方法和步驟與實施例1類似，但在以下幾個方面的參數(shù)有所不同:1.在實施例1的步驟I)中所述在H2氣氛下凈化表面時間為15min;所述通入的Ga的源為TEGa ;GaN低溫緩沖層的厚度為30nm ；GaN高溫緩沖層的生長溫度為1000°C。2.在實施例1的步驟2)中所述通入Ga的源為TEGa ;所述沉積GaN阱層的厚度為3nm ;沉積完后對GaN阱層在NH3氣氛下進行的吹掃處理時間為3s。3.在實施例1的步驟3)中所述通入和關(guān)閉的源為TEGa和TEAl ;所沉積的AlGaN超薄阻擋層的Al組分比壘層設計組分小15% ;阻擋層的沉積溫度為1100°C ；4.在實施例1的步驟4)中的通入源為TEGa和TEAl ;所沉積的AlGaN超薄補償層的Al組分高于壘層設計組分10% ;阻擋層的沉積溫度為1100°C。5.在實施例1的步驟5)中的通入源為TEGa和TEAl ;所沉積AlGaN壘層的Al組分為50%，厚度為5nm。6.在實施例1的步驟6)中所述的周期數(shù)為30個。實施例5該實施例方法和步驟與實施例1類似，但在以下幾個方面的參數(shù)有所不同:1.在實施例1的步驟2)中所述沉積GaN講層的厚度為4nm ;沉積完后對GaN講層在NH3氣氛下進行的吹掃處理時間為4s。2.在實施例1的步驟3)中所沉積的AlGaN超薄阻擋層的吹掃的時間為Is。3.在實施例1的步驟6)中所述的周期數(shù)為40個。
權(quán)利要求
1.一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將藍寶石襯底置于反應室內(nèi)，在H2氣氛下凈化表面，通入Ga的反應源和NH3,在藍寶石襯底上依次沉積GaN低溫緩沖層和GaN高溫緩沖層； 2)在GaN高溫緩沖層上沉積GaN/AlGaN超晶格中的GaN阱層，沉積完后，關(guān)閉Ga的反應源，對GaN阱層的表面在NH3氣氛下進行吹掃處理； 3)通入Al和Ga的反應源，在GaN阱層上沉積AlGaN超薄阻擋層，沉積完后，關(guān)閉Al和Ga的反應源，對AlGaN阻擋層在NH3氣氛下進行吹掃處理； 4)通入Al和Ga的反應源,在AlGaN阻擋層上沉積超薄的Al組分高于AlGaN魚層設計組分的AlGaN補償層，沉積完后，關(guān)閉Al和Ga的反應源，對AlGaN補償層在NH3氣氛下進行吹掃處理； 5)通入Al和Ga的反應源，在AlGaN補償層上沉積GaN/AlGaN超晶格中的AlGaN壘層，沉積完后，關(guān)閉Al和Ga的反應源，對AlGaN魚層在NH3氣氛下進行吹掃處理； 6)重復上述步驟2)到步驟5)若干次，直到完成周期性的GaN/AlGaN超晶格的制備； 7)在超晶格的表面覆蓋上GaN蓋層，若在超晶格結(jié)構(gòu)之上，還設計有其他導電層結(jié)構(gòu)，蓋層可以不使用； 8)利用XRD和AES測試手段對采用和未采用超薄阻擋補償插層方法生長的超晶格進行對比評價。
2.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述在H2氣氛下凈化表面的凈化時間為5 20min ;所述Ga的反應源可采用TMGa或TEGa。
3.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述沉積GaN低溫緩沖層的溫度為500 600°C，所述沉積GaN高溫緩沖層的溫度為900 1100°C ;所述GaN低溫緩沖層的厚度可為10 50nm，所述GaN高溫緩沖層的厚度可為I 3 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述沉積GaN阱層的溫度為1000 1100°C;所述GaN阱層的厚度可為2 5nm ;所述吹掃處理的時間可為O 5s。
5.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述沉積AlGaN超薄阻擋層的溫度為1000 1200°C;所述Al和Ga的反應源為TMGa和 TMAl，或 TEGa 和 TEAl。
6.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述AlGaN超薄阻擋層的Al組分小于壘層設計組分10 20%，AlGaN超薄阻擋層的厚度為0.2 0.5nm ;所述在NH3氣氛下進行吹掃處理的時間可為I 2s。
7.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述Al和Ga的反應源為TMGa和TMAl，或TEGa和TEAl;所述AlGaN超薄補償層的厚度可為0.2 0.5nm。
8.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述AlGaN補償層的Al組分高于壘層設計組分5% 15% ;所述在NH3氣氛下進行吹掃處理的時間可為I 2s。
9.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟5)中，所述Al和Ga的反應源為TMGa和TMAl，或TEGa和TEAl;所述AlGaN壘層的Al組分可為30% 60% ;所述AlGaN壘層可為2 5nm ;所述在NH3氣氛下進行吹掃處理的時間可為5 10s。
10.如權(quán)利要求1所述一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，其特征在于在步驟6)中，所述周期性的GaN/AlGaN超晶格的周期數(shù)為10 50個；在步驟7)中，所述GaN蓋層的厚度可為5 10n m。
全文摘要
一種陡峭界面GaN/AlGaN超晶格的制備方法，涉及一種超晶格結(jié)構(gòu)。利用界面引入超薄阻擋－補償插層方法，在金屬有機物MOCVD生長的GaN/AlGaN超晶格的界面進行特殊處理，有效阻擋高溫下界面金屬元素擴散效應，以獲得超陡峭、對稱界面，使量子阱更為接近方勢阱，增強量子限制效應。它通過調(diào)控外延生長參數(shù)特別是組分參數(shù)以實現(xiàn)超薄阻擋－補償對層的插入，在MOCVD生長同時即可完成界面超陡處理。運用該方法外延生長的GaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)的界面陡峭度可提高35％以上，克服了不同界面陡峭度的不對稱性，大大提高了異質(zhì)界面的質(zhì)量，并使超晶格發(fā)光效率得到有效提升。
文檔編號H01L33/00GK103137799SQ20131003013
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月27日
發(fā)明者蔡端俊, 陳小紅, 康俊勇 申請人:廈門大學