一种具有孔洞愈合结构的AlGaN薄膜及其制备方法与流程

一种具有孔洞愈合结构的algan薄膜及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体领域，特别是一种具有孔洞愈合结构的algan薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.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，具有直接带隙宽(在3.4～6.2ev连续可调)，击穿电压高、电子饱和速度大、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。
3.要实现上述应用，制备高质量的algan材料是关键。由于制备高质量algan材料衬底较为困难，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。另一方面，借鉴gan外延的两步法生长技术，采用传统mocvd生长方法来生长algan薄膜，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，发生所不希望的气相预反应；而且al原子与生长膜层表面的粘附系数很大，在表面难以迁移，容易导致algan材料生长形成三维岛状形貌。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。
4.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材料的难度进一步增大，特别是对于高al组分algan材料的制备，这些问题尤为明显。例如，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。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种具有孔洞愈合结构的algan薄膜及其制备方法，用于解决现有工艺所制备的algan薄膜晶体质量不佳、晶格失配度较大等问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所提供的第一解决方案为：一种具有孔洞愈合结构的algan薄膜，包括依次层叠设置的蓝宝石衬底、aln成核层、aln薄膜、algan插入层、aln插
入层、algan愈合层以及algan薄膜；沿外延生长方向，algan插入层至algan愈合层中具有若干逐渐愈合的孔洞结构，相邻孔洞间距为1nm～1000nm，孔洞高度为1nm～2000nm。
7.优选的，algan插入层的al组分为40％～100％，其厚度为1nm～2000nm。
8.优选的，aln插入层的厚度为1nm～1000nm。
9.优选的，algan愈合层的al组分为40％～100％，其厚度为1nm～5000nm。
10.为解决上述技术问题，本发明所提供的第二解决方案为：一种具有孔洞愈合结构的algan薄膜的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中具有孔洞愈合结构的algan薄膜，包括如下步骤：s1，在700℃～900℃下，在c面蓝宝石衬底上生长aln成核层；s2，升温至1100℃～1400℃，在aln成核层上生长aln薄膜；s3，降温至800℃～1000℃，在aln薄膜上生长algan插入层；s4，升温至800℃～1000℃，在algan插入层上生长aln插入层；s5，在aln插入层上生长algan愈合层；s6，在1000℃～1400℃下，在algan愈合层上生长algan薄膜；s5步骤中，algan愈合层的生长温度t4由aln插入层的生长温度t3逐渐升高至algan薄膜的生长温度t5。
11.其中，aln薄膜的生长温度为t1，algan插入层的生长温度t2，aln插入层的生长温度为t3，algan愈合层的生长温度为t4，algan薄膜的生长温度为t5，满足1400℃≥t1≥t5》t4》t3≥t2≥800℃。
12.其中，aln薄膜的v/iii比为v1，algan插入层的v/iii比为v2，aln插入层的v/iii比为v3，algan愈合层的v/iii比为v4，algan薄膜的v/iii比为v5，满足20000≥v2≥v3》v4》v5≥v1≥500。
13.其中，s1步骤中，生长v/iii比为2000～20000；s2步骤中，生长v/iii比降低至500～3000；s3步骤中，生长v/iii比升高至5000～20000；s4步骤中，生长v/iii比维持至5000～20000；s5步骤中，生长v/iii比降低至500～10000。
14.优选的，aln成核层的厚度为2nm～30nm；aln薄膜的厚度为100nm～4000nm；algan插入层的厚度为1nm～2000nm；aln插入层的厚度为1nm～1000nm；algan愈合层的厚度为1nm～5000nm。
15.优选的，具有孔洞愈合结构的algan薄膜采用金属有机化学气相沉积法进行外延生长。
16.本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具有孔洞愈合结构的algan薄膜及其制备方法，通过引入algan插入层、aln插入层、algan愈合层，产生适宜尺寸的孔洞结构，并调控各膜层的生长温度、v/iii比等工艺条件，使孔洞结构随着生长过程的进行逐渐愈合，而孔洞愈合结构能够使源自衬底的穿透位错弯曲而湮灭，有效避免了底层穿透位错对上层algan薄膜的影响，进而提升了algan薄膜的晶体质量。
附图说明
17.图1是本发明中具有孔洞愈合结构的algan薄膜一实施方式的结构示意图；
18.图2是本发明实施例1中aln插入层生长完成后的afm图；
19.图3是本发明实施例1中algan薄膜生长完成后的afm图；
20.图4是本发明实施例1中algan薄膜生长完成后的截面tem图；
21.图5是本发明实施例1中algan薄膜生长完成后样品xrd(002)面摇摆曲线图；
22.图6是本发明实施例1中algan薄膜生长完成后样品xrd(102)面摇摆曲线图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
24.对于本发明所提供的第一解决方案，请参阅图1，具有孔洞愈合结构的algan薄膜包括依次层叠设置的蓝宝石衬底、aln成核层、aln薄膜、algan插入层、aln插入层、algan愈合层以及algan薄膜；沿外延生长方向，algan插入层至algan愈合层中具有若干逐渐愈合的孔洞结构，相邻孔洞间距为1nm～1000nm，孔洞高度为1nm～2000nm；通过引入algan插入层、aln插入层、algan愈合层，产生适宜尺寸的孔洞结构，通过调控各膜层的生长温度、v/iii比等工艺条件，使孔洞结构随着生长过程的进行逐渐愈合，algan愈合层生长完成后孔洞结构也完成愈合；在孔洞愈合的过程中，源自衬底的穿透位错会随之弯曲而湮灭，从而避免了底层穿透位错对上层algan薄膜的影响，进而提升了algan薄膜的晶体质量。
25.对于本发明所提供的第二解决方案，具有孔洞愈合结构的algan薄膜的制备方法用于制备前述第一解决方案中具有孔洞愈合结构的algan薄膜，包括如下步骤：
26.s1，在700℃～900℃下，在c面蓝宝石衬底上生长aln成核层。本步骤中，采用金属有机化学气相沉积法进行外延生长，aln成核层的厚度为2nm～30nm。
27.s2，升温至1100℃～1400℃，在aln成核层上生长aln薄膜。本步骤中，aln薄膜的厚度为100nm～4000nm。
28.s3，降温至800℃～1000℃，在aln薄膜上生长algan插入层。本步骤中，algan插入层的al组分为40％～100％，其厚度为1nm～2000nm。
29.s4，升温至800℃～1000℃，在algan插入层上生长aln插入层。本步骤中，aln插入层的厚度为1nm～1000nm。
30.s5，在aln插入层上生长algan愈合层。本步骤中，algan愈合层的al组分为40％～100％，其厚度为1nm～5000nm；algan愈合层的生长温度t4由aln插入层的生长温度t3逐渐升高至algan薄膜的生长温度t5。
31.s6，在1000℃～1400℃下，在algan愈合层上生长algan薄膜。
32.由于制备具有孔洞愈合结构的algan薄膜过程中，需要让中间膜层的孔洞结构在生长过程中逐渐愈合，则需要严格控制膜层的生长温度和v/iii比。在生长温度方面，aln薄膜的生长温度为t1，algan插入层的生长温度t2，aln插入层的生长温度为t3，algan愈合层的生长温度为t4，algan薄膜的生长温度为t5，满足1400℃≥t1≥t5》t4》t3≥t2≥800℃。
33.在v/iii比方面，aln薄膜的v/iii比为v1，algan插入层的v/iii比为v2，aln插入层的v/iii比为v3，algan愈合层的v/iii比为v4，algan薄膜的v/iii比为v5，满足20000≥v2≥v3》v4》v5≥v1≥500。具体地，s1步骤中，生长v/iii比为2000～20000；s2步骤中，生长v/iii比降低至500～3000；s3步骤中，生长v/iii比升高至5000～20000；s4步骤中，生长v/iii比维持至5000～20000；s5步骤中，生长v/iii比降低至500～10000，且各步骤中v/iii比需满足前述关系式的限定。
34.下面通过具体实施例对前述具有孔洞愈合结构的algan薄膜的效果进行表征和分析。
35.实施例1
36.本实施例中具体的外延生长步骤如下：
37.(1)采用mocvd工艺，在c面蓝宝石衬底上生长低温的al成核层，生长温度为800℃，v/iii比为10000，厚度为10nm。
38.(2)升温至1100℃，在aln成核层上生长aln薄膜，v/iii比为800，厚度为150nm。
39.(3)降温至840℃，在aln薄膜上生长algan插入层，v/iii比为15000，厚度为100nm。
40.(4)升温至940℃，在algan插入层上生长aln插入层，v/iii比为1000，厚度为150nm。aln插入层生长完成后，对其进行afm测试，结果如图2所示。
41.(5)在aln插入层上生长algan愈合层，控制生长温度由生长aln插入层的940℃线性变化至生长algan薄膜的1080℃，厚度为1500nm。
42.(6)在1080℃下，在algan愈合层上生长algan薄膜，厚度为1000nm。algan薄膜生长完成后，对其进行afm测试，结果如图3所示。
43.对比例1
44.基于实施例1的制备步骤，去掉(3)～(5)步骤，即直接在aln薄膜上生长algan薄膜，其他步骤工艺与实施例1一致。
45.对比例2
46.基于实施例1的制备步骤，仅将(5)步骤中生长温度改为1000℃，而非实施例1中的温度线性变化，其他步骤工艺与实施例1一致。
47.对实施例1中所制备的algan薄膜样品进行tem表征，其截面图如图4所示，结合图2～4可以看出，在引入algan插入层和aln插入层后会形成很多的孔洞结构，虽然生长过程的进行，这些孔洞结构逐渐愈合，使最终所得到的algan薄膜晶体质量得到提升。
48.同时，对实施例1中所制备的algan薄膜样品进行xrd测试，具体测试了(002)面和(102)面的摇摆曲线，分别如图5和6所示，并且对比例1和2也进行同样的xrd测试，半高宽统计结果如表1所示。由表1可看出，相同晶面下，对比例1明显高于实施例1所制备样品的半高宽，说明实施例1引入的孔洞结构能够显著提升algan薄膜的晶体质量的效果；而对比例2与实施例1的区别仅在于algan愈合层的温度条件控制，实施例1采用了线性递变的生长温度，而对比例2中采用了固定的生长温度，从而对比例2的制备条件不能形成实施例1中孔洞愈合的结构，使得对比例2的晶体质量虽然略优于对比例1，但仍不及实施例1的晶体质量，从而说明本发明中逐渐愈合的孔洞结构能够更好地避免底层穿透位错对上层algan薄膜的影响，获得晶体质量更好的algan薄膜。
49.表1
[0050][0051]
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具有孔洞愈合结构的algan薄膜及其制备方法，通过引入algan插入层、aln插入层、algan愈合层，产生适宜尺寸的孔洞结构，并调控各膜层的生长温度、v/iii比等工艺条件，使孔洞结构随着生长过程的进行逐渐愈合，而孔洞愈合结构能够使源自衬底的穿透位错弯曲而湮灭，有效避免了底层穿透位错对上层algan薄膜的影响，进而提升了algan薄膜的晶体质量。
[0052]
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
[0053]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。