蓝宝石衬底上单晶InAlGaN外延膜的RF-MBE生长

半　导　体　学　报

CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS

Vol.27　No.8

Aug.,2006

蓝宝石衬底上单晶InAlGaN外延膜

的RF2MBE生长3

王保柱󰂍　王晓亮　王晓燕　王新华　郭伦春　肖红领　王军喜　刘宏新　曾一平　李晋闽(中国科学院半导体研究所,北京　100083)

摘要:利用射频等离子体辅助分子束外延技术在蓝宝石衬底上外延了晶体质量较好的单晶InAlGaN薄膜.在生长

InAlGaN外延层时,获得了外延膜的二维生长.卢瑟福背散射测量结果表明,InAlGaN外延层中In,Al和Ga的组分分别为2%,22%和76%,并且元素的深度分布比较均匀.InAlGaN(0002)三晶X射线衍射摇摆曲线的半高宽为418′.通过原子力显微镜观察外延膜表面存在小山丘状的突起和一些小坑,测量得到外延膜表面的均方根粗糙度为212nm.利用光电导谱测量InAlGaN的带隙为3176eV.

关键词:RF2MBE;铟铝镓氮;RHEED;XRD;AFMPACC:7280E;7360F;3220R中图分类号:TN3041054　　　文献标识码:A　　　文章编号:025324177(2006)0821382204

1　引言

GaN基的紫外发光二极管(UV2LED)在白光

照明、生物和化学检测等领域有着重要的潜在应用,因而近年来GaN基UV2LED的材料生长和器件结构研究引起人们的广泛关注[1～4].由于AlGaN晶体质量较差,制备高性能的GaN/AlGaN基UV2LED很困难.由于InGaN材料的局域化效应,InGaN基

[5]

LED的性能对晶体质量不是很敏感.与InGaN类似,InAlGaN四元合金的发光效率比AlGaN高很多,目前InAlGaN已经被用于紫外特别是发射波长小于365nm的紫外LED和激光二极管(LD)中[1,2].此外,InAlGaN四元合金的晶格常数和带隙可以独立调节,通过调节Al和In的组分,不但可以获得不同的带隙,还可以得到与InGaN或GaN晶格相匹配的异质结或量子阱结构,这样就降低或者消除了因晶格失配导致的压电效应,从而提高发光效率[5].然而由于AlN,GaN和InN的键长和分解温度差异大,生长时原子在表面的迁移速率和解吸附温度差异也比较大,生长高质量的InAlGaN四元合金很困难.1992年,Matsuoka等人[6]首次在蓝宝石上生长了InAlGaN,但是生长的InAlGaN是多晶的,没有与带边相应的光致发光峰.1996年

[7]

Mclntosh等人用MOCVD方法在750℃生长了

单晶InAlGaN四元合金,光致发光测量中看到带边

发光.1999年,Aumer等人[8]生长出了高质量的In2AlGaN,此后关于InAlGaN合金的生长、性质和应用的研究引起了广泛关注[9,10].

2000年Lima等人[11]首次采用MBE技术生长了InAlGaN四元材料,为InAlGaN材料的生长和研究开辟了新的途径.与MOCVD相比较,MBE技术有着如下几方面的优点:首先,MBE工艺是一种超高真空的工艺,可以大大降低外延材料中C,O和H等杂质元素的含量;其次,MBE的生长温度较低,可以实现高In组分的InGaN和InAlGaN材料的生长;最后,MBE可以通过反射式高能电子衍射系统(RHEED)实时监测样品的生长过程,从而获得表面结构、生长速率以及晶格常数等方面的信息.然而MBE外延生长InAlGaN薄膜的生长研究还较少,材料质量也不尽如人意,国内还未见MBE外延InAlGaN的相关报道.

本文利用RF2MBE技术在蓝宝石衬底上外延了晶体质量较好的单晶InAlGaN薄膜.采用RHEED对薄膜的生长进行了实时在位监测,通过卢瑟福背散射(RBS)测量了薄膜中In,Al和Ga的组分,利用X射线衍射和AFM对外延膜的的结构和形貌进行了表征,通过光电导谱测量了外延膜的带隙.

3中国科学院知识创新工程,国家重点基础研究发展规划(批准号:G20000683,2002CB311903),国家高技术研究发展计划(批准号:

2002AA305304)和国家自然科学基金(批准号:60136020)资助项目

󰂍通信作者.Email:wangbz@semi.ac.cn　2006201218收到,2006202220定稿

c2006中国电子学会○

第8期王保柱等:　蓝宝石衬底上单晶InAlGaN外延膜的RF2MBE生长

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2　实验

InAlGaN四元材料的外延生长是在国产RF2MBE上进行的,氮源由高纯氮气经射频等离子体炉

产生,高纯的铟、铝和镓分别作为铟、铝和镓源,衬底

为直径38mm的(0001)面蓝宝石衬底,衬底清洗方法参见文献[12].生长过程分为以下四个步骤:生长前首先把衬底放入生长室中,在NH3气氛中氮化10～30min,氮化温度和NH3流量分别为700℃,175sccm;氮化后在衬底上生长5nm左右的高温AlN缓冲层,然后再生长500nm左右的GaN层,具体的生长工艺见文献[13,14];最后在GaN层的上面生长100nm左右的InAlGaN,具体结构如图1所示.InAlGaN四元材料生长过程中,氮气的流量为116sccm,等离子体输入功率为400W,反射功率5W,铟炉、铝炉和镓炉温度分别为585,1030和850℃,衬底温度为590℃.整个生长过程由RHEED进行在位观测.

图1　InAlGaN外延膜的生长示意图

Fig.1　GrowthsequencechartoftheInAlGaNfilm

RBS测量采用能量为210MeV的4He+

离子

束,探测角为165°,探测器的分辨率为18keV.采用日本理学(Rigaku)SLX21AL型X射线衍射仪对样品进行了三晶X射线衍射摇摆曲线的测量.利用DI公司的NanoscopeⅢ原子力显微镜观察了外延膜的形貌,Si3N4探测尺寸为15nm,测量方式采用非接触扫描模式.光电导谱的激发光源为氙灯,通过单色仪分光后照射在样品表面,测量样品的光电导变化.

3　结果与讨论

在生长过程中利用RHEED进行在位观察,发现蓝宝石衬底在氮化后的RHEED有很明显的AlN的条纹(图2(a)),表明在氮化过程中形成了一薄层AlN.生长5nm的高温AlN缓冲层时,RHEED的图样如图2(b)所示1在生长500nm的高温GaN层的过程中,RHEED条纹如图2(c)所示,比氮化后形成AlN的条纹更加细锐,表明GaN

薄膜的质量较好,表面很平。开始生长InAlGaN外延膜后,RHEED一直为如图2(d)所示的很均匀的条形.高温GaN层表面十分光滑,可以尽可能的避免由于界面粗糙引起的InAlGaN外延薄膜中的缺陷,而且适当组分的InAlGaN与GaN的晶格也比较匹配,这样就使得在GaN层上可以形成很多的InAlGaN二维晶核,晶核长大后结成单原子层,铺满GaN层后继续上述过程,实现二维生长(Frank2vanderMerwe)模式.

图2　蓝宝石衬底氮化后(a),生长AlN(b),GaN(c)和InAl2GaN(d)时的RHEED图样

Fig.2　RHEEDpatternsobservedduringafternitri2dationofthesapphiresubstrate(a),thegrowthofAlNbuffer(b),thegrowthofGaNfilm(c),andthegrowthofInAlGaNfilm(d)

为了确定InAlGaN外延膜中各元素的组分多少和深度分布情况,我们对样品进行了卢瑟福背散射(RBS)谱的测量1RBS是确定固体材料组分、厚度、应力和缺陷分布的常用方法之一.图3给出了InAlGaN/GaN外延结构的RBS测量和拟合谱.在图中标出了Al,Ga和In元素相应的能量位置.通过拟合得到外延膜中In,Al和Ga的组分分别为2%,22%和76%.拟合数据和试验数据吻合得很好,而且各个元素的台阶较平,表明外延层元素的深度分布比较均匀[15],这是材料形成了二维生长的结果.

图3　InAlGaN/GaN结构的RBS测量和拟合谱

Fig.3　MeasuredandsimulatedRBSspectrumofIn2AlGaN/GaNstructure

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半　导　体　学　报第27卷

图4给出了InAlGaN/GaN结构的θ/2

θ扫描谱和InAlGaN(0002)X射线衍射摇摆曲线图谱.在θ/2θ扫描中只有GaN(0002)、蓝宝石(0006)和In2AlGaN的(0002)衍射峰,说明InAlGaN外延膜的

取向性很好.InAlGaN(0002)衍射峰的2

θ衍射角为34191°,由此得到的c轴晶格常数约为015142nm.将RBS测量得到的In,Al和Ga的组分2%,22%和76%代入Vegard公式得到:

CInxAlyGa1-x-yN=xCInN+yCAlN+

(1-x-y)CGaN

计算得到的c轴晶格常数为015150nm,与之基本吻

合,说明外延膜中不存在很大的应力.图4的插图给出了该样品InAlGaN(0002)三晶X射线衍射的摇摆曲线,由该图可知InAlGaN(0002)的FWHM仅为418′左右,表明在高温GaN层上获得了晶体质量较好的InAlGaN外延膜.

图4　InAlGaN/GaN结构的X射线衍射谱

Fig.4　XRDofInAlGaN/GaNstructure

利用AFM观察了外延膜的形貌,如图5所示,样品表面存在一些小山丘状的突起和一些小坑,小坑的密度大约为2×109cm-2,小坑的直径在50～100nm之间;样品基本上还是比较平整的,这与In2AlGaN外延膜二维生长是基本一致的,样品的均方根粗糙度(RMS)为212nm.样品表面的小山丘状的突起可能是富In区域[4,16,17],但是还需要通过阴极荧光(CL)来进行微区分析确认.据文献[16]报道,小坑被确认来源于GaN层的位错,是In向位错偏析而形成.

光电导谱是研究AlGaN/GaN和InAlGaN/GaN异质结构中AlGaN和InAlGaN带隙的有效方法之一[18,19].图6给出了InAlGaN/GaN结构的光电导谱,由图中可以明显地看出在366和330nm左右光电流明显增加,366nm对应GaN的带隙,330nm对应于InAlGaN的带隙,换算为能量是3176eV,与相关文献[2,8]报道的In,Al,Ga组分类似的InAlGaN材料的带隙结果是一致的.

图5　InAlGaN外延膜的AFM形貌图

Fig.5　SurfaceAFMimageofInAlGaNfilm

图6　InAlGaN/GaN结构的光电导谱

Fig.6　PhotoconductancespectrumofInAlGaN/GaNstructure

4　结论

利用RF2MBE技术在蓝宝石衬底上外延生长了晶体质量较好的单晶InAlGaN薄膜.获得了In2AlGaN外延膜的二维生长.InAlGaN外延膜中In,Al和Ga的组分分别为2%,22%和76%,并且元素的深度分布比较均匀.InAlGaN(0002)三晶X射线衍射摇摆曲线的半高宽为418′.通过AFM观察到薄膜表面存在一些小山丘状的突起和小坑,测量得到薄膜表面的RMS为212nm.通过光电导谱的测量,确定InAlGaN的带隙为3176eV.参考文献

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WangBaozhu󰂍,WangXiaoliang,WangXiaoyan,WangXinhua,GuoLunchun,

XiaoHongling,WangJunxi,LiuHongxin,ZengYiping,andLiJinmin

(InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing　100083,China)

Abstract:AsinglecrystallineInAlGaNfilmissuccessfullygrownonasapphiresubstratebyradio2frequencyplasma2excited

molecularbeamepitaxy.ThestreakyRHEEDpatternobservedduringgrowthindicatesalayer2by2layergrowthmode.Ruth2erfordbackscatteringspectrometry(RBS)showsthattheIn,Al,andGacontentsintheInAlGaNfilmare2%,22%,and76%,respectively.Triple2axisX2raydiffractionshowsthatthefullwidthathalfmaximumoftheInAlGaN(0002)peakis418′.Therearesomemountain2likehillocksandpitsonthesurfaceoftheInAlGaNfilm.Atomic2forcemicroscopyshowsthattheRMSoftheInAlGaNfilmis212nm.PhotoconductancemeasurementsshowthattheenergygapofInAlGaNfilmis3176eV.

Keywords:RF2MBE;InAlGaN;RHEED;XRD;AFMPACC:7280E;7360F;3220R

ArticleID:025324177(2006)0821382204

3ProjectsupportedbytheKnowledgeInnovationEngineeringoftheChineseAcademyofSciences,theStateKeyDevelopmentProgramfor

BasicResearchofChina(Nos.G20000683,2002CB311903),theNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2002AA305304),andtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.60136020)

󰂍Correspondingauthor.Email:wangbz@semi.ac.cn

　Received18January2006,revisedmanuscriptreceived20February2006

c2006ChineseInstituteofElectronics○