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(chǎng)遷移率,是重要的半導(dǎo)體材料。該研究論文以?xún)r(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。
關(guān)鍵詞:InN薄膜 AlN薄膜 普通玻璃襯底 半導(dǎo)體材料與器件
中圖分類(lèi)號(hào):TN3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2014)10(a)-0067-02
在過(guò)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Ⅲ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(chǎng)遷移率可達(dá)3200 cm2/V·s,峰值漂移速率可達(dá)4.3×107cm/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(shì)[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1000 ℃左右,因此如何控制InN的生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度問(wèn)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(zhǎng)溫度控制在500 ℃以下;另一方面,一般InN薄膜都生長(zhǎng)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(lái),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(wèn)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)重的晶格失配等問(wèn)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(méi)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9.0×10-4 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-PEMOCVD系統(tǒng),將反應(yīng)室抽真空至8.0×10-4 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)猓涠吡髁勘葹?∶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(cè)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,其他條件下質(zhì)量很不理想,表明沉積溫度過(guò)高與過(guò)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(méi)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(cè)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(méi)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)制備的InN薄膜的樣品進(jìn)行了其表面均方根平整度檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果說(shuō)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(mǎn)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(cè)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(mǎn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)基片襯底,沒(méi)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(yǔ)
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(wèn)題以及晶格失配問(wèn)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(shì)。endprint
參考文獻(xiàn)
[1] F.Bechstedt,J.Furthmüller. 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.,Unusual properties of the fundamental band gap of InN.Appl.Phys.Lett[Z].2002,80 (21):3967-3969.
[3] S.Inoue,T.Namazu,T.Suda, K.Koterazawa.InN films deposited by rf reactive sputtering in pure nitrogen gas. Vacuum[Z].2004,74:443-448.
[4] V.M.Polyakov, F.Schwierz. Low-field electron mobility in wurtzite InN. Appl Phys Lett[Z].2006,88.
[5] S.K.OLeary,B.E.Foutz, M.S.Shur,et al.,Electron transport in wurtzite indium nitride[J].Appl.Phys,1998, 83(2):826-829.
[6] A.Yamamoto,T.Shin-ya,T.Sugiura, et al.,Characterization of MOVPE-grown InN layers on a-Al2O3 and GaAs substrates[J].Crystal Growth.1998,189/190: 461-465.
[7] A.Yamamoto,T.Tanaka, K.Koide,et al.,Improved Electrical Properties for Metalorganic Vapour Phase Epitaxial InN Films.Phys.Stat.Sol.(a)[Z].2002,194(2):510-514.
[8] Z.X.Bi,R.Zhang,Z.L.Xie,et al.,The growth temperature dependence of In aggregation in two-step MOCVD grown InN films on sapphire.Materials Letters[Z].2004(58):3641-3644.
[9] V.V.Mamutin,V.A.Vekshin, DavydovV.Yu.,et al.,MBE Growth of Hexagonal InN Films on Sapphire with Different Initial Growth Stages.Phys.Stat.Sol.(a)[Z].1999,176(1):247-252.
[10] Y.Saito,T.Yamaguchi, H.Kanazawa,et al.,Growth of high-quality InN using low-temperature intermediate layers by RF-MBE[J].Crystal Growth,2002,237-239:1017-1021.
[11] Y.Nanishi,Y.Saito,T.Yamaguchi.RF-Molecular Beam Epitaxy Growth and Properties of InN and Related Alloys.Jpn[J].Appl. Phys.Part1,2003,42(5A):2549-2559.endprint
參考文獻(xiàn)
[1] F.Bechstedt,J.Furthmüller. 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.,Unusual properties of the fundamental band gap of InN.Appl.Phys.Lett[Z].2002,80 (21):3967-3969.
[3] S.Inoue,T.Namazu,T.Suda, K.Koterazawa.InN films deposited by rf reactive sputtering in pure nitrogen gas. Vacuum[Z].2004,74:443-448.
[4] V.M.Polyakov, F.Schwierz. Low-field electron mobility in wurtzite InN. Appl Phys Lett[Z].2006,88.
[5] S.K.OLeary,B.E.Foutz, M.S.Shur,et al.,Electron transport in wurtzite indium nitride[J].Appl.Phys,1998, 83(2):826-829.
[6] A.Yamamoto,T.Shin-ya,T.Sugiura, et al.,Characterization of MOVPE-grown InN layers on a-Al2O3 and GaAs substrates[J].Crystal Growth.1998,189/190: 461-465.
[7] A.Yamamoto,T.Tanaka, K.Koide,et al.,Improved Electrical Properties for Metalorganic Vapour Phase Epitaxial InN Films.Phys.Stat.Sol.(a)[Z].2002,194(2):510-514.
[8] Z.X.Bi,R.Zhang,Z.L.Xie,et al.,The growth temperature dependence of In aggregation in two-step MOCVD grown InN films on sapphire.Materials Letters[Z].2004(58):3641-3644.
[9] V.V.Mamutin,V.A.Vekshin, DavydovV.Yu.,et al.,MBE Growth of Hexagonal InN Films on Sapphire with Different Initial Growth Stages.Phys.Stat.Sol.(a)[Z].1999,176(1):247-252.
[10] Y.Saito,T.Yamaguchi, H.Kanazawa,et al.,Growth of high-quality InN using low-temperature intermediate layers by RF-MBE[J].Crystal Growth,2002,237-239:1017-1021.
[11] Y.Nanishi,Y.Saito,T.Yamaguchi.RF-Molecular Beam Epitaxy Growth and Properties of InN and Related Alloys.Jpn[J].Appl. Phys.Part1,2003,42(5A):2549-2559.endprint
參考文獻(xiàn)
[1] F.Bechstedt,J.Furthmüller. 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.,Unusual properties of the fundamental band gap of InN.Appl.Phys.Lett[Z].2002,80 (21):3967-3969.
[3] S.Inoue,T.Namazu,T.Suda, K.Koterazawa.InN films deposited by rf reactive sputtering in pure nitrogen gas. Vacuum[Z].2004,74:443-448.
[4] V.M.Polyakov, F.Schwierz. Low-field electron mobility in wurtzite InN. Appl Phys Lett[Z].2006,88.
[5] S.K.OLeary,B.E.Foutz, M.S.Shur,et al.,Electron transport in wurtzite indium nitride[J].Appl.Phys,1998, 83(2):826-829.
[6] A.Yamamoto,T.Shin-ya,T.Sugiura, et al.,Characterization of MOVPE-grown InN layers on a-Al2O3 and GaAs substrates[J].Crystal Growth.1998,189/190: 461-465.
[7] A.Yamamoto,T.Tanaka, K.Koide,et al.,Improved Electrical Properties for Metalorganic Vapour Phase Epitaxial InN Films.Phys.Stat.Sol.(a)[Z].2002,194(2):510-514.
[8] Z.X.Bi,R.Zhang,Z.L.Xie,et al.,The growth temperature dependence of In aggregation in two-step MOCVD grown InN films on sapphire.Materials Letters[Z].2004(58):3641-3644.
[9] V.V.Mamutin,V.A.Vekshin, DavydovV.Yu.,et al.,MBE Growth of Hexagonal InN Films on Sapphire with Different Initial Growth Stages.Phys.Stat.Sol.(a)[Z].1999,176(1):247-252.
[10] Y.Saito,T.Yamaguchi, H.Kanazawa,et al.,Growth of high-quality InN using low-temperature intermediate layers by RF-MBE[J].Crystal Growth,2002,237-239:1017-1021.
[11] Y.Nanishi,Y.Saito,T.Yamaguchi.RF-Molecular Beam Epitaxy Growth and Properties of InN and Related Alloys.Jpn[J].Appl. Phys.Part1,2003,42(5A):2549-2559.endprint