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，是重要的半導體材料。該研究論文以價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格。本實驗以普通康寧玻璃為襯底基片，在AlN/普通康寧玻璃基片結構上，改變不同沉積溫度制備，InN薄膜，得到InN/AlN/普通康寧玻璃結構的高功率高頻率器件的初期薄膜結構。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，可用于大面積制造大功率，高頻率器件，降低其成本價格。

關鍵詞：InN薄膜 AlN薄膜 普通玻璃襯底 半導體材料與器件

中圖分類號：TN3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0067-02

在過去的十幾年里，關于InN半導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族氮化物半導體材料，與同族的GaN、AlN相比，InN具有最小的有效質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3200 cm2/V·s，峰值漂移速率可達4.3×107cm/s，這些特性使InN在高頻厘米和毫米波器件應用中具有獨特的優勢[1-8]。制備高質量的InN外延薄膜是InN半導體材料研究與應用的前提，但InN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的生長溫度就產生了矛盾，一般傳統的MOCVD技術要求溫度在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-等離子增強有機物化學氣相沉積（ECR-PEMOCVD）設備[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薄膜都生長在藍寶石等一些基片上。眾所周知，藍寶石基片的價格較高，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，嚴重阻礙了InN材料器件的發展。為解決上述InN器件成本高的問題，本研究采用在廉價康寧玻璃襯底上沉積制備InN外延薄膜，但是InN外延層與廉價康寧玻璃襯底之間還存在嚴重的晶格失配等問題，而AlN可以成為一種理想的InN外延中間層材料。首先，AlN與InN具有相似的晶體結構，可以作為InN與廉價康寧玻璃之間的緩沖層。其次，AlN的沉積制備在廉價康寧玻璃上的工藝已經被該研究小組所掌握，而且與其他反應源相比，AlN反應源材料很便宜，廉價，這樣就進一步降低了器件的成本。所以AlN成為InN與廉價康寧玻璃之間緩沖層的首選材料。所以在此基礎上，在較低的溫度下，在廉價的襯底材料上最終制備出高質量、穩定的InN薄膜。

由于InN薄膜的沉積制備需要較高的沉積溫度，當前ECR-PEMOCVD技術以及相關設備，都沒有用于生產InN光電薄膜，因此如何利用ECR-PEMOCVD技術優點，用AlN薄膜作為緩沖層在廉價康寧玻璃襯底上以較低的溫度下生產出性能優異的InN光電薄膜是我們所研究的難點。

1 實驗

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，用氮氣吹干送入反應室；采用ECR-PEMOCVD系統，將反應室抽真空至9.0×10-4 Pa，改變不同基片沉積溫度400 ℃，500 ℃，600 ℃，向反應室內通入氫氣攜帶的三甲基鋁、氮氣，其二者流量為1.5 sccm和120 sccm，由質量流量計控制；控制氣體總壓強為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。繼續采用ECR-PEMOCVD系統，將反應室抽真空至8.0×10-4 Pa，將基片加熱至500 ℃，向反應室內通入氫氣攜帶的三甲基銦、氮氣，其二者流量比為2∶150，分別為2 sccm和150 sccm，由質量流量計控制；控制氣體總壓強為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/普通康寧玻璃結構上的InN光電薄膜。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

在其他反應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薄膜樣品質量較好，其他條件下質量很不理想，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，表明AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜，其晶體結構較優異。但是薄膜半峰寬較大，需要進一步進行實驗工藝的優化。

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，實驗準備的InN薄膜表面上的島狀團簇非常均勻，沒有明顯的界面缺陷，呈現出一個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℃時制備的InN薄膜的樣品進行了其表面均方根平整度檢測。測試結果說明沉積溫度在500℃時沉積制備的InN薄膜樣品的平整度在納米數量級，滿足對器件制備的要求。

2.3 SEM分析

進行了AFM分析之后，我們又對沉積溫度500 ℃條件下，AlN緩沖層的條件下沉積制備了InN薄膜樣品的SEM進行了測試分析，由圖3可知，實驗制備的InN薄膜樣品顆粒明顯形成，基本鋪滿整個實驗基片襯底，沒有明顯缺陷存在，表明該實驗條件下的InN薄膜具有優異的表明形貌特性。其結果同上述AFM分析一致。

3 結語

該研究論文利用可精確控制的低溫沉積的ECR-PEMOCVD技術，在AlN/普通康寧玻璃基片襯底結構上沉積制備出高質量的InN光電薄膜，并結合實際生產中器件成本不理想可能出現的問題以及晶格失配問題，提出一系列的解決方案策略，對基于InN薄膜器件產業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構上的InN光電薄膜產品具有良好電學性能以及結晶質量，廉價的成本價格以及易于制備出高頻率大功率器件的優勢。endprint

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