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(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，可用于大面積制造大功率，高頻率器件，降低其成本價格。

關(guān)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(guān)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(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(yōu)勢[1-8]。制備高質(zhì)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(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-等離子增強有機物化學氣相沉積（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(fā)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(jié)構(gòu)，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(jīng)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(chǔ)上，在較低的溫度下，在廉價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，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(chǎn)出性能優(yōu)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(tǒng)，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(nèi)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(zhì)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(xù)采用ECR-PEMOCVD系統(tǒng)，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(nèi)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(zhì)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(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(zhì)量較好，其他條件下質(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，需要進一步進行實驗工藝的優(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(xiàn)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(jié)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(shù)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(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光電薄膜，并結(jié)合實際生產(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)品具有良好電學性能以及結(jié)晶質(zhì)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(yōu)勢。endprint

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