AlN緩沖層條件下普通玻璃上InN的制備方法

1、 AlN緩沖層條件下普通玻璃上InN的制備方法 苗麗華+張東+李昱材摘 要：InN材料具有最小的有效質(zhì)量和最高的載流子遷移率、飽和漂移速率，低場遷移率，是重要的半導(dǎo)體材料。該研究論文以價(jià)格低廉的普通玻璃作為InN薄膜的基片，很大程度的降低了其成本價(jià)格。本實(shí)驗(yàn)以普通康寧玻璃為襯底基片，在AlN/普通康寧玻璃基片結(jié)構(gòu)上，改變不同沉積溫度制備，InN薄膜，得到InN/AlN/普通康寧玻璃結(jié)構(gòu)的高功率高頻率器件的初期薄膜結(jié)構(gòu)。該研究論文制備的光電薄膜器件均勻性好，薄膜襯底成本廉價(jià)，可用于大面積制造大功率，高頻率器件，降低其成本價(jià)格。Key：InN薄膜 AlN薄膜 普通玻璃襯底 半導(dǎo)體材料與器件：TN3

2、 ：A ：1674-098X（2014）10（a）-0067-02在過去的十幾年里，關(guān)于InN半導(dǎo)體材料的研究引起了人們極大的興趣。InN是一種重要的直接帶隙族氮化物半導(dǎo)體材料，與同族的GaN、AlN相比，InN具有最小的有效質(zhì)量和最高的載流子遷移率、飽和漂移速率，其低場遷移率可達(dá)3200 cm2/Vs，峰值漂移速率可達(dá)4.3107cm/s，這些特性使InN在高頻厘米和毫米波器件應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢1-8。制備高質(zhì)量的InN外延薄膜是InN半導(dǎo)體材料研究與應(yīng)用的前提，但I(xiàn)nN薄膜的制備有兩大困難，一方面是InN的分解溫度較低，約為600 左右，而作為N源的NH3的分解溫度則要求很高，一般在10

3、00 左右，因此如何控制InN的生長溫度就產(chǎn)生了矛盾，一般傳統(tǒng)的MOCVD技術(shù)要求溫度在800 以上，限制了InN的生長溫度問題，本研究采用了自制的電子回旋共振-等離子增強(qiáng)有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（ECR-PEMOCVD）設(shè)備9-11，大大降低了外延溫度，使生長溫度控制在500 以下；另一方面，一般InN薄膜都生長在藍(lán)寶石等一些基片上。眾所周知，藍(lán)寶石基片的價(jià)格較高，用它作為InN材料的襯底，使InN材料基的器件的成本很難降下來，嚴(yán)重阻礙了InN材料器件的發(fā)展。為解決上述InN器件成本高的問題，本研究采用在廉價(jià)康寧玻璃襯底上沉積制備InN外延薄膜，但是InN外延層與廉價(jià)康寧玻璃襯底之間還存在嚴(yán)重的晶

4、格失配等問題，而AlN可以成為一種理想的InN外延中間層材料。首先，AlN與InN具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，可以作為InN與廉價(jià)康寧玻璃之間的緩沖層。其次，AlN的沉積制備在廉價(jià)康寧玻璃上的工藝已經(jīng)被該研究小組所掌握，而且與其他反應(yīng)源相比，AlN反應(yīng)源材料很便宜，廉價(jià)，這樣就進(jìn)一步降低了器件的成本。所以AlN成為InN與廉價(jià)康寧玻璃之間緩沖層的首選材料。所以在此基礎(chǔ)上，在較低的溫度下，在廉價(jià)的襯底材料上最終制備出高質(zhì)量、穩(wěn)定的InN薄膜。由于InN薄膜的沉積制備需要較高的沉積溫度，當(dāng)前ECR-PEMOCVD技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備，都沒有用于生產(chǎn)InN光電薄膜，因此如何利用ECR-PEMOCVD技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，用

5、AlN薄膜作為緩沖層在廉價(jià)康寧玻璃襯底上以較低的溫度下生產(chǎn)出性能優(yōu)異的InN光電薄膜是我們所研究的難點(diǎn)。1 實(shí)驗(yàn)將普通康寧玻璃基片依次用丙酮、乙醇以及去離子水超聲波清洗5 min后，用氮?dú)獯蹈伤腿敕磻?yīng)室；采用ECR-PEMOCVD系統(tǒng)，將反應(yīng)室抽真空至9.010-4 Pa，改變不同基片沉積溫度400 ，500 ，600 ，向反應(yīng)室內(nèi)通入氫氣攜帶的三甲基鋁、氮?dú)?，其二者流量?.5 sccm和120 sccm，由質(zhì)量流量計(jì)控制；控制氣體總壓強(qiáng)為1.2 Pa；在電子回旋共振頻率為650 W，得到在普通康寧玻璃基片的AlN緩沖層薄膜，其AlN緩沖層薄膜厚度為200 nm。繼續(xù)采用ECR-PEMOCV

6、D系統(tǒng)，將反應(yīng)室抽真空至8.010-4 Pa，將基片加熱至500 ，向反應(yīng)室內(nèi)通入氫氣攜帶的三甲基銦、氮?dú)?，其二者流量比?150，分別為2 sccm和150 sccm，由質(zhì)量流量計(jì)控制；控制氣體總壓強(qiáng)為1.2 Pa；在電子回旋共振頻率為650 W，沉積制備InN薄膜，得到在AlN緩沖層薄膜/普通康寧玻璃結(jié)構(gòu)上的InN光電薄膜。2 結(jié)果與討論2.1 XRD分析在其他反應(yīng)條件不改變的情形下，改變不同基片沉積溫度400 ，500 ，600 ，該研究論文在AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜。3個(gè)不同基片沉積溫度的樣品都被測試了，只有沉積溫度500 條件下制備的InN薄膜樣品質(zhì)量較好，其他條件下

7、質(zhì)量很不理想，表明沉積溫度過高與過低都不利于薄膜的沉積制備。我們分析沉積溫度500 時(shí)的XRD圖像，由圖1可知，除了AlN緩沖層的峰值外，其制備的InN薄膜的則有取向較好，沒有太多其他衍射峰出現(xiàn)，表明AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜，其晶體結(jié)構(gòu)較優(yōu)異。但是薄膜半峰寬較大，需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工藝的優(yōu)化。2.2 AFM分析為了研究InN薄膜的形貌，我們測試了沉積溫度500 條件下，AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜樣品。由圖2可知，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的InN薄膜表面上的島狀團(tuán)簇非常均勻，沒有明顯的界面缺陷，呈現(xiàn)出一個(gè)光滑的表面且表面平整。此外，為了以后制備大功率器件的要求，沉積溫度是500時(shí)制

8、備的InN薄膜的樣品進(jìn)行了其表面均方根平整度檢測。測試結(jié)果說明沉積溫度在500時(shí)沉積制備的InN薄膜樣品的平整度在納米數(shù)量級(jí)，滿足對(duì)器件制備的要求。2.3 SEM分析進(jìn)行了AFM分析之后，我們又對(duì)沉積溫度500 條件下，AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜樣品的SEM進(jìn)行了測試分析，由圖3可知，實(shí)驗(yàn)制備的InN薄膜樣品顆粒明顯形成，基本鋪滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)基片襯底，沒有明顯缺陷存在，表明該實(shí)驗(yàn)條件下的InN薄膜具有優(yōu)異的表明形貌特性。其結(jié)果同上述AFM分析一致。3 結(jié)語該研究論文利用可精確控制的低溫沉積的ECR-PEMOCVD技術(shù)，在AlN/普通康寧玻璃基片襯底結(jié)構(gòu)上沉積制備出高質(zhì)量的InN光電薄

9、膜，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中器件成本不理想可能出現(xiàn)的問題以及晶格失配問題，提出一系列的解決方案策略，對(duì)基于InN薄膜器件產(chǎn)業(yè)化有很大的研究意義。該研究論文的在AlN/普通康寧玻璃基片結(jié)構(gòu)上的InN光電薄膜產(chǎn)品具有良好電學(xué)性能以及結(jié)晶質(zhì)量，廉價(jià)的成本價(jià)格以及易于制備出高頻率大功率器件的優(yōu)勢。endprintReference1 F.Bechstedt，J.Furthmller. Do we know the fundamental energy gap of InN J.Cryst. Growth，2002，246：315-319.2 J.Wu，W.W.Walukiewicz， K.M.Yu，et al

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