高Al組分AlGaN材料的制備與表征

楊蓮紅 王俊珺

（1，2.昌吉學(xué)院物理系 新疆 昌吉 831100）

1 引言

AlGaN被稱為Ⅲ族氮化物（Ⅲ-Ⅴ）材料，或稱為氮化鎵及其氮化物材料以及氮化鎵基（GaNBased）材料，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN基三元合金Alx-Ga1-xN（0≤x≤1）材料是寬禁帶的直接帶隙半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度隨著材料Al組分的變化可以從GaN的3.4eV連續(xù)變化到AlN的6.2eV，AlGaN材料制作的紫外探測(cè)器的截止波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)地可以連續(xù)從365nm變化到200nm，利用禁帶寬度隨組分線性變化近似的經(jīng)驗(yàn)公式，可以估算出要制作日盲型紫外探測(cè)器，AlxGa1-xN材料的Al組分X需要達(dá)到40%以上，也就是AlGaN材料必須是高Al組分［1］［2］［3］。隨著紫外探測(cè)器的應(yīng)用不斷向更深紫外波段延伸，AlGaN材料和紫外光電探測(cè)器工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，高Al組分AlGaN材料及Al-GaN紫外探測(cè)器的研究成為紫外探測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一［4-5］。

由于缺少和AlGaN材料相匹配的襯底材料，晶格常數(shù)失配所引起的應(yīng)力和生長(zhǎng)過程中所引入的殘余熱應(yīng)力會(huì)在界面外形成大量的位錯(cuò)，并且隨著Al含量的增加會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部位錯(cuò)密度的急劇增加，因而制作較厚（100nm～200nm）的且Al組分高的高質(zhì)量的AlGaN材料面臨挑戰(zhàn)［6］。

GaN基材料的外延生長(zhǎng)通常是在藍(lán)寶石襯底上，由于AlGaN與藍(lán)寶石襯底具有較大的晶格失配和熱失配，因此，在生長(zhǎng)過程中通常會(huì)插入低溫AlN緩沖層來釋放應(yīng)力，提供有效的成核中心。在生長(zhǎng)外延材料的過程中，通過優(yōu)化緩沖層可以提高晶體的質(zhì)量［7-8］。

研究表明：生長(zhǎng)壓力和生長(zhǎng)溫度與AlGaN材料的晶體質(zhì)量有關(guān)，在其他工藝條件固定不變的情況下，隨著反應(yīng)室生長(zhǎng)壓力降低，AlGaN材料的晶體質(zhì)量也在變好。其他工藝條件固定不變，隨著溫度升高，樣品的背景濃度降低，低值氧化物分解揮發(fā)，提高了AlGaN材料的晶體質(zhì)量［9］。

本文通過優(yōu)化AlN緩沖層，利用商用低壓-金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備在1150°C生長(zhǎng)了厚度為400nm高Al組分AlGaN材料，利用高分辨率X射線衍射（HRXRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）材料表征技術(shù)對(duì)AlGaN材料進(jìn)行了表征。

2 AlGaN材料的制備

本實(shí)驗(yàn)中用以表征的AlGaN材料層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 AlGaN材料層次結(jié)構(gòu)示意圖

本實(shí)驗(yàn)的AlGaN材料是采用商用低壓-金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備在（0001）方向的AlN/藍(lán)寶石模板上生長(zhǎng)得到的。三甲基鎵（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）和高純氨氣分別作為Ga、Al和N源，高純氫氣作為載氣。模板襯底經(jīng)高溫烘烤后再生長(zhǎng)AlGaN，生長(zhǎng)溫度在1150℃。

文中使用的測(cè)試設(shè)備有高分辨X射線衍射儀（HRXRD）是PANalytical X’Pert Pro MRD三軸晶衍射儀。X射線波長(zhǎng)為CuKα，裝配X射線Mirror鏡、Ge（220）四晶單色器和Ge（220）分析晶體，最高分辨率達(dá)到12秒。型號(hào)為JSM7000F的掃描電子顯微鏡（SEM）；Veeco公司生產(chǎn)的型號(hào)為Nannoscope3a的原子力顯微鏡（AFM）。

3 AlGaN材料表征及分析

3.1 HRXRD分析

圖2 （114）面的倒易空間圖

為了顯示異質(zhì)外延系統(tǒng)中的應(yīng)變與缺陷存在的狀態(tài)，必須觀察倒易格點(diǎn)附近X射線散射強(qiáng)度的分布。為此不僅要觀察倒易格點(diǎn)的位置，更關(guān)心倒易格點(diǎn)的形狀。繪制倒易格點(diǎn)散射強(qiáng)度的分布，以展示倒易格點(diǎn)的形狀，即倒易空間圖RSM（reciprocal space map，RSM）［10］。

通過HRXRD可以得到衍射晶面非對(duì)稱面（114）的二維倒易空間圖如圖2所示。利用倒易空間圖可以分析晶體材料的應(yīng)變、應(yīng)力、晶面效應(yīng)及晶向效應(yīng)［10］。

在六方晶系中，晶格常數(shù)和倒易空間矢量之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，具體關(guān)系如下：

取λ=1.54056?，可以計(jì)算出a=3.15522?，c=5.11483?。

三元化合物固溶體（如AlxGa1-xN）的晶格常數(shù)隨溶質(zhì)原子濃度比的變化而變化，AlGaN這種由GaN和AlN組成的固溶體，它的晶格常數(shù)隨Al-GaN中Al組份的變化而變化，并且其晶格常數(shù)在AlN晶格常數(shù)和GaN晶格常數(shù)之間變化。從計(jì)算結(jié)果可以看出AlGaN晶格常數(shù)：

根據(jù)據(jù)Vegard定律有以下關(guān)系：

由式（5）、式（6）可以計(jì)算得到AlGaN材料的理論晶格常數(shù)為：

由于材料應(yīng)變與晶格常數(shù)之間存在以下關(guān)系：

利用（7）、（8）二式及已得到的c(AlGaN)、a(AlGaN)、a0(AlxGa1-xN)、c0(AlGaN)值，可以求出材料的應(yīng)變。經(jīng)計(jì)算得：

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出AlGaN材料的應(yīng)變值很小，材料的應(yīng)變程度很小。

3.2 SEM表面形貌表征

圖3 SEM表面形貌

圖3給出了樣品的掃描電鏡（SEM）圖，從圖中可以看出樣品表面平整并且致密。

3.3 AFM表面形貌表征

樣品的AFM表面形貌表征圖如圖4所示。由AFM表面形貌圖可以得到樣品的粗糙度（RMS）為1.32nm，這個(gè)數(shù)值很小，足以說明樣品的表面很平整。

圖4 AFM表面形貌圖

4 結(jié)論

采用商用低壓-金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備在（0001）方向的AlN/藍(lán)寶石模板上生長(zhǎng)得到了高Al組分的AlGaN材料晶體。通過AFM、SEM表征發(fā)現(xiàn)樣品的表面平整，晶粒尺寸很小，粗糙度（RMS）為1.32nm。通過高分辨率X射線衍射可以得到衍射晶面（114）的二維倒易空間圖（reciprocal space map，RSM），經(jīng)分析計(jì)算得到AlGaN材料的晶格常數(shù)a=3.15522?，c=5.11483?，材料的應(yīng)變?chǔ)?3=0.006417% ，ε11=-0.173%，表明材料的應(yīng)變程度較小。

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