[发明专利]一种生长高质量具有双缓冲层的单晶氮化铟薄膜的方法

说明书

技术背景

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具有双缓冲层的单晶InN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具有双缓冲层的单晶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：

一种生长高质量具有双缓冲层的单晶InN薄膜的方法，在硅(Si) 衬底上利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术先生长AlN缓冲层，在 AlN缓冲层上继续生长AlInN缓冲层，最后生长InN单晶外延。

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10nm-200nm(纳米)。

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20Torr-100Torr(托)。

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

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20Torr-700Torr。

所述InN单晶外延的生长V/III比为3000-20000。