專利名稱：AlGaN薄膜材料及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及氮化物半導(dǎo)體材料，用于制作氮化物半導(dǎo) 體電子和光電器件。
背景技術(shù)：
in-v族氮化物半導(dǎo)體是非常理想的制作光電器件的材料，其發(fā)光波長可以 從綠光、藍(lán)光、 一直到深紫外光。目前，由ni-v族氮化物半導(dǎo)體材料制作的藍(lán)、
綠光LED在市場應(yīng)用方面獲得了巨大的成功。然而，對于波長小于350nm的深 紫外LED器件在研究階段進(jìn)展緩慢，這主要是因?yàn)橹谱魃钭贤夤釲ED材料所需 的高質(zhì)量、無裂紋的高Al組份AlGaN材料生長很難獲得。對于異質(zhì)外延的半導(dǎo) 體材料來講，應(yīng)力的控制是獲得高質(zhì)量AlGaN材料的關(guān)鍵。針對這個(gè)問題，不 同的研究者采用了不同的方法。Kamiyama等人采用低溫A1N層插入層來控制生 長于GaN基板上的AlGaN薄膜中的張應(yīng)力，參見S.Kamiyama， M，Sawaki,et.al. J.Cryst.Growth 223(2001)83.。Han等人采用低溫AlGaN的周期性插入有效緩解了 AlGaN薄膜中的應(yīng)力，參見J. Han, K. E. Waldrip, S. R. Lee， J. J. Figiel， S. J. Heame， G A. Petersen and S. M. Myers, ^^/.尸/j"丄e". 78(2001) 83 。 Bykhovsky等人和 Zhang J.P等人分別采用GaN/AlN以及GaN/AlGaN的超晶格結(jié)構(gòu)來緩解薄膜中 的張應(yīng)力，參見A. D. Bykhovski, B. L Gelmont and M. S. Shur. J. Appl. Phys. 81(1997) 6332.和J. P. Zhang, H. M. Wang, M. E. Gaevski, C. Q. Chen， Q, Fareed, J. W. Yang, G. Simin and M. A. Khan. Appl. Phys, Lett. 80(2002) 3542.。這幾種方法的 共同點(diǎn)是引入壓應(yīng)力來緩解生長于GaN基板或者直接在藍(lán)寶石襯底上生長的 AlGaN薄膜中的張應(yīng)力，以避免裂紋的出現(xiàn)。而Khan等人采用脈沖法首先生長 一層高質(zhì)量A1N,然后再生長AlGaN薄膜，參見M. A. Khan, J. N. Kuznia, R. A. Skogman， D. T. Olson， M. Macmillan and W. J. Choyke. Appl. Phys. Lett. 61(1992) 2539.，這種方法的特點(diǎn)是在AIN上外延AlGaN薄膜，由于AIN的晶格常數(shù)小于 AlGaN， AlGaN薄膜在生長時(shí)就會(huì)受到了 A1N層施加的壓應(yīng)力作用，因而不會(huì) 有裂紋的出現(xiàn)。由此可見，AIN層可以為AlGaN薄膜的生長提供足夠的壓應(yīng)力 作用而避免裂紋的出現(xiàn)。然而，對于不同Al組份的AlGaN材料，其所需要引入的壓應(yīng)力的大小是不一樣的，若AlGaN和A1N之間的晶格失配太大，此時(shí)AlGaN 薄膜受到的AIN層施加的壓應(yīng)力就太大，過大的壓應(yīng)力會(huì)降低AlGaN材料的生 長質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服以上技術(shù)的缺點(diǎn)，提出了一種AlGaN薄膜材料及其 生長方法，以有效調(diào)控材料生長中的應(yīng)力，提高AlGaN材料的生長質(zhì)量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的AlGaN薄膜包括:襯底，低溫AIN緩沖層， 高溫AIN基板層，目標(biāo)AlYGa,-YN層，其特征在于高溫AIN基板層與目標(biāo)AlYGai-YN 層之間插入有AlxGa卜xN插入層。
所述的目標(biāo)AlYGai-YN層的Al組份Y值為0. 1《Y《0. 8;所述的AlxGa卜xN 插入層的Al組份X值為0〈X〈Y。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的薄膜材料生長方法，有以下兩種 生長方法一，包括如下步驟
(1) 在藍(lán)寶石襯底上生長5-20nm的低溫AIN緩沖層，生長低溫溫度為550°C 一700。C;
(2) 在低溫A1N緩沖層上，生長20nm—5um的高溫AlN基板層，生長高溫溫 度為1000°C_1200°C;
(3) 在高溫A1N基板層上，生長AlxGa卜xN插入層，插入層的Al組份低于目 標(biāo)AlYGai—YN層的Al組份，插入層生長溫度為900°C —1200°C，生長厚度為5nm 一300nm;
(4) 在AlxGa卜xN插入層上，生長目標(biāo)AlYGawN層，生長溫度為900°C —1200 °C，生長厚度為lOOnm—lOy m。
生長方法二，包括如下步驟
1) 在碳化硅襯底上生長2-10nm的低溫AIN緩沖層，生長低溫溫度為550°C 一700。C;
2) 在低溫AIN緩沖層上，生長20nm—5 u m的高溫AIN基板層，生長高溫溫 度為1000°C — 1200°C;
3) 在高溫AIN基板層上，生長AlxGai-xN插入層，插入層的Al組份低于目 標(biāo)AlYGai—YN層的Al組份，插入層生長溫度為900°C — 1200°C ，生長厚度為5nm 一300nm;4)在AlxGa,-xN插入層上，生長目標(biāo)AlyGa卜YN薄膜，生長溫度為900°C_1200 。C，生長厚度為100nm—10y m。
本發(fā)明由于在AlN基板層和所要制備的目標(biāo)AiYGa卜YN層間插入了一層用以調(diào) 節(jié)應(yīng)力的ALGa,-xN插入層，因而具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 為整個(gè)材料外延的多層體系中引入了面內(nèi)張應(yīng)力的作用，該張應(yīng)力有效的 抵消了AlN基板與目標(biāo)AlYGa,-YN層之間由于晶格失配而產(chǎn)生的過大的面內(nèi)壓應(yīng)力 作用，使得材料中的張應(yīng)力和壓應(yīng)力保持平衡，從而提高目標(biāo)ALGawN層的材料 質(zhì)量；
2. 方法簡單，AlxGai-xN插入層的生長條件與目標(biāo)AlyGa卜yN層的生長條件基本 一致，只需改變A1、 Ga組份比即可完成AlxGa卜xN插入層的生長。
3. AlxGai-xN插入層的引入還能夠有效地減少材料中的缺陷。


圖l是本發(fā)明提供的AlxGa卜xN插入層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明在藍(lán)寶石襯底上生長AlxGai-xN材料的過程示意圖； 圖3是本發(fā)明在碳化硅襯底上生長AlxGa卜xN材料的過程示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，本發(fā)明中的薄膜包括襯底，低溫A1N緩沖層，高溫A1N基板層， AlxGa卜xN插入層和目標(biāo)AlYGa卜YN層。其中最下面為襯底，最上面為目標(biāo)AlYGai-YN 層，襯底上為低溫A1N緩沖層，低溫緩沖層上為高溫A1N基板層，AlxGa卜xN插入 層位于高溫A1N基板層與目標(biāo)AlyGawN層之間。該目標(biāo)AlYGai-YN層的Al組份Y 值為0. 1《Y《0.8。該AlxGa,-xN插入層的Al組份X值為0<X<Y。
參照圖2，本發(fā)明給出以下在藍(lán)寶石襯底上生長AlGaN薄膜材料的三種實(shí)施
例
實(shí)例1，基于藍(lán)寶石襯底的AlxGai-xN(X=0. l)薄膜材料的生長。
該材料生長采用金屬有機(jī)化合物氣相淀積MOCVD法，藍(lán)寶石為襯底，氨氣作 為氮源，三甲基鋁作為鋁源，三乙基鎵作為鎵源，氫氣作為載氣。生長步驟如下
步驟一，在藍(lán)寶石襯底上生長5nm的低溫A1N緩沖層，
首先將襯底溫度加熱到IOO(TC，在氮?dú)鈿夥罩袑σr底進(jìn)行氮化處理5分鐘； 然后開始材料的生長，生長低溫溫度為550'C，反應(yīng)室壓力為40Torr，在藍(lán)寶石 襯底上生長出5nm的低溫A1N緩沖層；步驟二，在低溫A1N緩沖層上，在高溫溫度為1000°C，反應(yīng)室壓力為40Torr 的條件下生長20nm的高溫A1N基板層；
步驟三，在高溫A1N基板層上，生長5nm的AlYGawN(Yz0.05)插入層，該 插入層的生長溫度為IOOO'C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟四，在Alo.o5Gao.95N插入層上，生長10u m的目標(biāo)AlxGai-xN(X=0. l)層， 生長溫度為90(TC，反應(yīng)室壓力為40Torr。
實(shí)例2，基于藍(lán)寶石襯底的AlxGai-xN(X=0. 3)薄膜材料的生長。
該材料生長采用金屬有機(jī)化合物氣相淀積MOCVD法，藍(lán)寶石為襯底，氨氣作 為氮源，三甲基鋁作為鋁源，三乙基鎵作為鎵源，氫氣作為載氣。生長步驟如下
步驟一，在藍(lán)寶石襯底上生長5nm的低溫AlN緩沖層，
首先將襯底溫度加熱到IOOO'C，在氮?dú)鈿夥罩袑σr底進(jìn)行氮化處理5分鐘； 然后開始材料的生長，在低溫溫度為600°C，反應(yīng)室壓力為40Torr的工藝條件下， 在藍(lán)寶石襯底上生長10nm的低溫A1N緩沖層；
步驟二，在低溫A1N緩沖層上，生長80nm的高溫AlN基板層，生長高溫溫 度為1050。C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟三，在高溫A1N基板層上，生長300nm的AlYGa!.YN(Y^.2)插入層， 生長溫度為90(TC，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟四，在Alo.3Gao.7N插入層上，生長5um的目標(biāo)AlxGa卜xN(X^.3)層，生 長溫度為107(TC，反應(yīng)室壓力為40Torr。
實(shí)例3，基于藍(lán)寶石襯底的AlxGai-xN (X=0. 8)薄膜材料的生長。
該材料生長采用金屬有機(jī)化合物氣相淀積MOCVD法，藍(lán)寶石為襯底，氨氣、 三甲基鋁、三乙基鎵分別作為氮源、鋁源和鎵源，氫氣為載氣。生長步驟如下
步驟一，在藍(lán)寶石襯底上生長20nm的低溫AlN緩沖層；
首先將襯底溫度加熱到IOO(TC，在氮?dú)鈿夥罩袑σr底進(jìn)行氮化處理5分鐘； 然后在低溫溫度為700°C，反應(yīng)室壓力為40Torr的條件下，生長出20nm的低溫 A1N緩沖層
步驟二，在低溫A1N緩沖層上，生長5um的高溫AlN基板層，生長高溫溫 度為1200。C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟三，在高溫A1N基板層上，生長10nm的AlYGawN(Y-0.7)插入層，生 長溫度為1200'C，反應(yīng)室壓力為40Torr。步驟四，在Al0.2Gao.8N插入層上，生長IOO咖的目標(biāo)AlxGa,-xN(X=0. 8)層， 生長溫度為120(TC，反應(yīng)室壓力為40Torr。
參照圖3，本發(fā)明給出以下在碳化硅襯底上生長AlGaN薄膜材料的三種實(shí)施
例
實(shí)例1，基于碳化硅襯底的AlxGai-xN(X=0. 2)薄膜材料的生長。 該材料生長采用金屬有機(jī)化合物氣相淀積MOCVD法，藍(lán)寶石為襯底，氨氣 作為氮源，三甲基鋁作為鋁源，三乙基鎵作為鎵源，氫氣作為載氣。生長步驟如
下
步驟l，在碳化硅襯底上生長2nm的低溫AlN緩沖層，生長低溫溫度為550 'C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟2，在低溫A1N緩沖層上，生長20nm的高溫A1N基板層，生長高溫溫 度為100(TC,反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟3，在高溫A1N基板層上，生長300nm的AlyGaLYN(Y^.15)插入層， 生長溫度為90(TC，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟4，在Al(U5Gao.85N插入層上，生長10y m的目標(biāo)AlxGai—xN(X=0. 2)層， 生長溫度為900。C，反應(yīng)室壓力為40Torr。
實(shí)例2,基于碳化硅襯底的AlxGai-xN(X=0. 45)薄膜材料的生長。
該材料生長采用金屬有機(jī)化合物氣相淀積MOCVD法，藍(lán)寶石為襯底，氨氣作 為氮源，三甲基鋁作為鋁源，三乙基鎵作為鎵源，氫氣作為載氣。生長步驟如下
步驟l，在碳化硅襯底上生長5nm的低溫AlN緩沖層，生長低溫溫度為650 'C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟2,在低溫A1N緩沖層上，生長200nm的高溫AlN基板層，生長高溫溫 度為1100。C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟3，在高溫A1N基板層上，生長100nm的AlYGaLyN(Y^.35)插入層， 生長溫度為1060。C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟4，在AlYGa!-YN(Y^.35)插入層上，生長4 u m的目標(biāo)AlxGai—xN (X=0. 45) 層，生長溫度為108(TC，反應(yīng)室壓力為40Torr。
實(shí)例3，基于碳化硅襯底的AlxGa,-xN(X=0. 7)薄膜材料的生長
該材料生長采用金屬有機(jī)化合物氣相淀積(MOCVD)法，藍(lán)寶石為襯底，氨 氣作為氮源，三甲基鋁作為鋁源，三乙基鎵作為鎵源，氫氣作為載氣。生長步驟如下
步驟1，在碳化硅襯底上,生長10nm的低溫A1N緩沖層，生長低溫溫度為700 °C，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟2，在低溫A1N緩沖層上，生長5nm的高溫AlN基板層，生長高溫溫 度為120(TC，反應(yīng)室壓力為40Torr;
步驟3，在高溫A1N基板層上，生長5nm的AlYGa^N(Y-0.6)插入層，生 長溫度為1200'C，反應(yīng)室壓力為40Torr。
步驟4，在AlYGa^N(Yi.6)插入層上，生長100nm的目標(biāo)AlxGai-xN(X=0. 7) 層，生長溫度為1200。C，反應(yīng)室壓力為40Torr。
實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明所采用生長方法能有效調(diào)控不同Al組份的AlGaN薄膜材 料在生長過程中的應(yīng)力，提高了 AlGaN薄膜材料的生長質(zhì)量。
9
權(quán)利要求
1.一種AlGaN薄膜材料，包括襯底，低溫AlN緩沖層，高溫AlN基板層，目標(biāo)AlYGa1-YN層，其特征在于高溫AlN基板層與目標(biāo)AlYGa1-YN層之間插入有AlXGa1-XN插入層。
2. 按照權(quán)利要求1所述的AlGaN薄膜，其特征在于目標(biāo)AlyGawN層的Al組份 Y值為0. 1《Y《0.8。
3. 按照權(quán)利要求l所述的AlGaN薄膜，其特征在于AlxGa卜xN插入層的Al組份 X值為0〈X〈Y。
4. 一種AlGaN薄膜的生長方法，包括如下步驟(1) 在藍(lán)寶石襯底上,生長5-20nm的低溫A1N緩沖層，生長低溫溫度為550。C一 700 。C;(2) 在低溫A1N緩沖層上，生長20nm—5ym的高溫AlN基板層，生長高溫溫度 為1000。C一1200。C;(3) 在高溫A1N基板層上，生長AlxGa卜xN插入層，插入層的A1組份低于目標(biāo) AlYGa卜yN層的Al組份，插入層生長溫度為900。C一1200。C，生長厚度為5nm—300nm;(4) 在AlxGa卜xN插入層上，生長目標(biāo)AlYGa』層，生長溫度為900。C— 1200。C， 生長厚度為100nm—10ym。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的AlGaN薄膜的生長方法，其中步驟(3)所述的在高溫 A1N基板層上，生長AlxGa卜xN插入層，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD 法。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的AlGaN薄膜的生長方法，其中步驟(4)所述的在AlxGai-xN 插入層上，生長目標(biāo)AlYGai-YN薄膜，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD法。
7. —種AlGaN薄膜的生長方法，包括如下步驟1) 在碳化硅襯底上,生長2-10nm的低溫A1N緩沖層，生長低溫溫度為550'C — 700°C;2) 在低溫A1N緩沖層上，生長20nm—5um的高溫AlN基板層，生長高溫溫度 為1000。C一1200。C;3) 在高溫A1N基板層上，生長AlxGawN插入層，插入層的Al組份低于目標(biāo)AlyGawN層的Al組份，插入層生長溫度為900°C _ 1200°C ，生長厚度為5nm—300nm;4)在AlxGa卜xN插入層上，生長目標(biāo)AlyGawN薄膜，生長溫度為900。C一1200 。C，生長厚度為100nm_10um 。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的AlGaN薄膜的生長方法，其中步驟3)所述的在高溫 A1N基板層上，生長AlxGa,-xN插入層，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD 法。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的AlGaN薄膜的生長方法,其中步驟4)所述的在AlxGai_xN 插入層上，生長目標(biāo)AlyGa卜YN薄膜，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD法。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種AlGaN薄膜材料，主要解決目前高質(zhì)量AlGaN薄膜材料生長困難的問題。它包括襯底、低溫AlN緩沖層、高溫AlN基板層和目標(biāo)Al_YGa_1-YN層，該目標(biāo)Al_YGa_1-YN層的Al組份Y值為0.1≤Y≤0.8；其特征是在高溫AlN基板層與目標(biāo)Al_YGa_1-YN層之間插入有Al_XGa_1-XN插入層，該Al_XGa_1-XN插入層的Al組份X值為0＜X＜Y。所述薄膜材料的生長采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積MOCVD法，在藍(lán)寶石或者碳化硅襯底上，先生長低溫AlN緩沖層及高溫AlN基板層，再生長Al_XGa_1-XN插入層，最后生長所需Al組分的目標(biāo)Al_YGa_1-YN層。本發(fā)明能有效調(diào)控薄膜生長過程中的應(yīng)力，使得材料中的張應(yīng)力和壓應(yīng)力保持平衡，提高了目標(biāo)Al_YGa_1-YN層的材料質(zhì)量，可用于制作紫外、深紫外的半導(dǎo)體光電器件。
文檔編號(hào)C30B25/00GK101538740SQ20091002162
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者周小偉, 李培咸, 躍 郝 申請人:西安電子科技大學(xué)