[发明专利]一种渐变AlGaN层的制备方法及采用该方法得到的器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种渐变AlGaN层的制备方法及采用该方法得到的器件。

背景技术

GaN具有大的直接禁带宽度（3.4 eV）、高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，因此已经成为目前半导体技术领域的研究热点。三族氮化物GaN、AlN（禁带宽度6.2 eV）、InN（禁带宽度0.7eV）及其组成的合金的禁带宽度覆盖了从红外到可见光、紫外光的能量范围，因此在光电子领域有着广泛的应用，如大功率白光LED，紫外、蓝光激光器，紫外波段的日盲探测器，高频高功率器件等。

由于大尺寸GaN单晶生长十分困难，这使得同质外延生长难以大规模实现。现在主要是采用异质外延生长的办法在蓝宝石、SiC等衬底材料上生长GaN薄膜及器件。目前在这两种衬底上已经生长出了较高质量的GaN材料和光电器件，实现了产品的商业化。但是这两种衬底价格昂贵，尤其是SiC。而且这两种衬底的尺寸都比较小，增加了器件的制作成本。此外，蓝宝石衬底还有硬度极高，导电差、导热差等特点，对器件的制作和性能不利。Si作为目前最成熟的半导体材料，具有价格便宜，尺寸大，晶体质量高、导热能力好等优点，用Si作为外延衬底可大大降低芯片的制作成本，提高经济效率。

然而GaN与Si之间存在较大的热失配，热失配度高达56%，这使得在生长结束后降温的过程中，GaN薄膜会受到Si衬底较大的张应力而龟裂、翘曲，导致无法用于器件的制作。另外，GaN与Si也存在着较大的晶格失配，晶格适配度为17%，这使得GaN薄膜中出现较高的位错密度，降低了晶体质量。

不过，应力才是Si上生长GaN最主要的问题。为了缓解张应力，引入压引力，目前主要采用AlN缓冲层、AlN/GaN超晶格层、阶梯渐变AlGaN层和组分渐变AlGaN层等方法。

组分渐变AlGaN层是比较有效的方法。这样可在生长过程中利用AlN与GaN晶格常数的差别形成压应力，部分弥补降温过程中形成的张应力，从而有效降低外延层中的位错和裂纹密度。大家希望从AlN到GaN之间的过渡层的组分是线性渐变的，于是都采用了线性流量的方法来实现铝组分的变化。一般情况下，是这样来实现AlGaN层中铝组分渐变的：在生长组分渐变AlGaN层都是在生长过程中，通入反应室的三甲基铝（TMAl）流量线性减少，三甲基镓（TMGa）流量线性增加来实现的。然而这种方法只能生长出单一铝组分分布的渐变AlGaN层，而无法调节其铝组分的分布，也就无法有效地调节GaN薄膜的应力和位错密度，影响GaN薄膜的晶体质量。

此外，由于TMAl与NH₃具有强烈的预反应，这使得高铝组分的AlGaN难以生长，且生长速率非常慢。因此，如果只是TMAl和TMGa的流量线性变化的话，会导致高铝组分的AlGaN厚度较薄，而低铝组分的AlGaN厚度较厚，所以渐变AlGaN层中铝组分的分布并没有像预想的那样呈线性分布。这样也会影响GaN薄膜的晶体质量。

同样地，上述的AlGaN生长中存在的缺陷，在SiC衬底和蓝宝石衬底上同样存在，原理相类似，因此如果能够调节SiC衬底和蓝宝石衬底上渐变AlGaN层Al组分的分布，同样可以优化GaN薄膜的晶体质量。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种组分分布可控的渐变AlGaN层的制备方法及采用该方法得到的器件，进而可实现有效调节渐变AlGaN层上生长的GaN薄膜的应力和晶体质量的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种渐变AlGaN层的制备方法，在生长渐变AlGaN层之前，首先在衬底上生长一层AlN缓冲层；生长渐变AlGaN层的方法为：在反应室中通入NH₃、三甲基铝和三甲基镓，其中通入的三甲基铝流量逐渐减少，三甲基镓流量逐渐增加； 

三甲基铝流量的函数为：

；

三甲基镓流量的函数为：

；

其中，x为渐变AlGaN层生长的归一化时间，m、n不同时为1。

本发明在生长渐变AlGaN层的过程中，通入反应室的三甲基铝（TMAl）流量和三甲基镓（TMGa）流量的变化方式是关于时间的函数（两个流量的函数不同时为线性函数），利用不同的函数，可以改变TMAl和TMGa在不同流量时的变化率。从而本发明的方法能够实现有效地控制铝组分在渐变AlGaN层中的分布，实现铝组分的分布可控，进而调控其上生长的GaN薄膜的应力和晶体质量，生长出高晶体质量且不龟裂的厚GaN薄膜。