楊美娟，林云昊，王文樑，林志霆，李國(guó)強(qiáng),2

1.華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；

2.華南理工大學(xué)廣東省半導(dǎo)體照明與信息化工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640

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H2氣氛對(duì)采用MOCVD法在Si襯底上外延生長(zhǎng)AlN薄膜性能的影響*

楊美娟1，林云昊1，王文樑1，林志霆1，李國(guó)強(qiáng)1,2

1.華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；

2.華南理工大學(xué)廣東省半導(dǎo)體照明與信息化工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640

摘要：采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積法(MOCVD)在Si(111)襯底上外延生長(zhǎng)AlN薄膜，用高分辨X射線(xiàn)衍射、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對(duì)外延生長(zhǎng)所得AlN薄膜的性能進(jìn)行表征，并研究了適量H2的引入對(duì)AlN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響．結(jié)果表明：在Si襯底上外延生長(zhǎng)AlN薄膜過(guò)程中引入適量H2，有利于提高AlN島間愈合程度，薄膜表面缺陷減少，表面粗糙度由4.0 nm減少至2.1 nm；適量H2的引入可使AlN薄膜的(0002)和(10-12)面的X射線(xiàn)搖擺曲線(xiàn)的半峰寬(FWHM)值從0.7及1.1分別減小到0.6和0.9，即刃型穿透位錯(cuò)密度和螺型穿透位錯(cuò)密度減少．

關(guān)鍵詞：Si襯底；AlN薄膜；H2；MOCVD

在現(xiàn)存半導(dǎo)體材料中AlN具有超過(guò)6 eV的最寬直接帶隙，且其載流子飽和遷移率、熱導(dǎo)率、壓電性能及耐高溫抗輻射能力，相比其他很多半導(dǎo)體材料有著不可替代的優(yōu)勢(shì)[1-2].因此，AlN在深紫外探測(cè)器、抗輻射器件、大功率器件等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景[3-4].目前，常用于生長(zhǎng)AlN薄膜的襯底材料有藍(lán)寶石、SiC和Si等．但藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電，使用范圍有限；SiC襯底價(jià)格偏高；Si襯底相比前兩者成本低、尺寸大、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好及加工方便等諸多優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注．在Si襯底上外延生長(zhǎng)AlN薄膜，已成為研究界和產(chǎn)業(yè)界的焦點(diǎn)[5-6].采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積法(MOCVD)，在Si襯底上制備AlN薄膜是目前主要的研究方向．想要在Si襯底上獲得高質(zhì)量的AlN薄膜依然存在以下問(wèn)題[7-9]：AlN與Si襯底間存在較大的晶格失配(19.3%)，容易因?yàn)檩^大的失配應(yīng)力而產(chǎn)生大量位錯(cuò)與裂紋；Al元素化學(xué)性能活潑，容易與O及C等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，難以獲得高質(zhì)量的AlN薄膜．研究者已經(jīng)對(duì)AlN薄膜的生長(zhǎng)速率、反應(yīng)溫度、反應(yīng)室氣壓等工藝條件進(jìn)行了深入地研究，以提高AlN薄膜的質(zhì)量而獲得高性能的器件[10-12].對(duì)于反應(yīng)腔內(nèi)氣氛，其對(duì)AlN膜生長(zhǎng)至關(guān)重要[13-14]，特別是H2載氣對(duì)AlN薄膜性能影響的研究卻不多見(jiàn)．

本文采用MOCVD技術(shù)在Si(111)襯底上外延生長(zhǎng)AlN薄膜，研究了反應(yīng)腔內(nèi)通入適量H2載氣對(duì)AlN薄膜晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響，并詳細(xì)討論引入適量H2載氣的作用機(jī)理．這是對(duì)高質(zhì)量AlN薄膜生長(zhǎng)研究的進(jìn)一步完善，為獲得高性能AlN基器件奠定基礎(chǔ)．

1實(shí)驗(yàn)部分

用Veeco公司研制的K465i型MOCVD設(shè)備外延生長(zhǎng)AlN薄膜，以三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)作為Al源和N源，材料中不進(jìn)行任何故意摻雜．在生長(zhǎng)前，用酸性溶液(濃度為98%的H2SO4、濃度為30%的H2O2和H2O，其比例為3:1:1)和濃度為5%的HF，對(duì)尺寸為101.6 mm的Si襯底進(jìn)行清洗，以除去表面的污染物．襯底放入反應(yīng)室后，在H2氣氛壓力為6666.1 Pa高壓下再次進(jìn)行襯底清潔．本實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了兩組樣品，樣品A是只采用N2為載氣而得到的AlN薄膜，樣品B是通入適量H2和N2混合氣體為載氣而得到的AlN薄膜．除此之外，兩個(gè)樣品的生長(zhǎng)溫度均為1100 ℃，壓力為6666.1 Pa，生長(zhǎng)厚度為110 nm．

用高分辨X射線(xiàn)衍射儀(HRXRD，Bruker D8，Cu K1X射線(xiàn)源=1.5406?)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試．

2結(jié)果與討論

2.1通入適量H2對(duì)AlN薄膜表面形貌的影響

圖1　AlN薄膜的SEM圖樣品A；(b)樣品BFig.1　SEM images for AlN films (a) sample A；(b) sample B

對(duì)樣品A和B的表面進(jìn)行SEM表征，結(jié)果如圖1所示．從圖1(a)可見(jiàn)，AlN薄膜表面存在大量凹坑，尺寸不一，且沒(méi)有合并的AlN孤島．從圖1(b)可見(jiàn)，AlN薄膜表面凹坑逐漸愈合，凹坑數(shù)量顯著減少．表明通入適量H2有利于A(yíng)lN逐漸成膜，并且呈現(xiàn)2D層狀生長(zhǎng)模式．進(jìn)一步對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行AFM測(cè)試，圖2為樣品A和B的表面三維形貌，掃描面積為5m×5m．從圖2可見(jiàn)：樣品A及樣品B對(duì)應(yīng)的表面粗糙度分別為4.0 和2.1 nm；樣品A表面的島密度較大且形狀尖銳不一，這增加了表面的起伏程度，從而導(dǎo)致表面粗糙度較大；樣品B中AlN島的縱向生長(zhǎng)速度較樣品A的慢，但AlN島的橫向生長(zhǎng)速度較快并開(kāi)始愈合，這說(shuō)明適量H2的引入促進(jìn)了AlN島的愈合，加快了AlN從3D生長(zhǎng)模式向2D的轉(zhuǎn)變，與SEM測(cè)試結(jié)果相吻合．這是由于A(yíng)lN與Si襯底間存在較大的晶格失配(19.3%)，且Al原子在襯底表面的原子遷移率低，從而導(dǎo)致AlN很容易以島狀形式生長(zhǎng)[15]．在反應(yīng)腔體內(nèi)總氣壓不變的情況下，通入適量H2后降低了NH3的分壓，使反應(yīng)界面附近的氣體分子密度有所下降，從而使反應(yīng)物擴(kuò)散距離較長(zhǎng)，緩解了AlN的島狀生長(zhǎng)并有利于A(yíng)lN島的橫向生長(zhǎng)與合并成膜[16]．

2.2通入適量H2對(duì)AlN薄膜結(jié)構(gòu)性能的影響

圖2　AlN薄膜的表面三維形貌圖(a)樣品A；(b)樣品BFig.2　3D images for the surface of AlN films (a) sample A; (b) sample B

圖3　樣品A和B的2θ-ω和φ的掃描圖(a)2θ-ω掃描圖；(b)φ的掃描圖Fig.3　XRD 2θ-ω measurements and XRD φ scans for sample A and sample B(a) XRD2θ-ω measurements；(b) XRD φ scans

圖3為樣品的2θ-ω和φ掃描圖．從圖3(a)可見(jiàn)：當(dāng)2θ分別為36.02和76.40時(shí)，對(duì)應(yīng)的是AlN(0002)和AlN(0004)晶面的衍射峰；當(dāng)2θ分別為28.40，58.5和94.90時(shí)，分別對(duì)應(yīng)Si(111)，(222)和(333)晶面衍射峰，此外無(wú)其他的衍射峰．這表明，兩個(gè)樣品均具有良好的c軸擇優(yōu)取向．對(duì)兩個(gè)樣品(10-12)晶面進(jìn)行φ掃描(圖3(b))發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)樣品均表現(xiàn)出面內(nèi)六次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，說(shuō)明生長(zhǎng)的AlN薄膜和Si襯底具有良好的面內(nèi)對(duì)稱(chēng)關(guān)系．因此，結(jié)合X射線(xiàn)的面外和面內(nèi)掃描結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)外延生長(zhǎng)的AlN薄膜為單晶薄膜．為了進(jìn)一步研究通入適量H2后對(duì)AlN薄膜晶體質(zhì)量的影響，對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行了對(duì)稱(chēng)(0002)面和非對(duì)稱(chēng)(10-12)面的X射線(xiàn)搖擺曲線(xiàn)(RC)掃描．由于(0002)面RC掃描對(duì)于螺位錯(cuò)的分布密度較敏感，(10-12)面RC掃描代表刃位錯(cuò)和混合位錯(cuò)的分布情況，因此可利用不同晶面的RC掃描半峰寬(FWHM)的大小研究薄膜晶體的質(zhì)量[17-18]．RC掃描FWHM值越小，意味著晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量越好．表1為樣品A和樣品B中AlN薄膜的(0002)面和(10-12)面的RC掃描FWHM值．由表1可以看出，在Si襯底上外延AlN薄膜過(guò)程中引入適量H2可使AlN薄膜的(0002)和(10-12)面的RC曲線(xiàn)的半峰寬值(FWHM)分別從0.7和1.1減小到0.6和0.9．通過(guò)公式D=β2/9b2[19-20]，對(duì)AlN薄膜的刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)分別進(jìn)行計(jì)算，其中D代表位錯(cuò)密度，β代表RC曲線(xiàn)半峰寬，b代表位錯(cuò)的伯氏矢量大小．經(jīng)計(jì)算樣品A的螺位錯(cuò)密度、刃位錯(cuò)和混合位錯(cuò)密度，分別是樣品B的1.17和1.22倍．結(jié)果再一次表明，通入適量H2后AlN薄膜位錯(cuò)大大減少，晶體質(zhì)量得到提高．通入適量H2有利于A(yíng)lN島的橫向生長(zhǎng)及合并成膜，穿透位錯(cuò)也在A(yíng)lN橫向生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)生彎曲閉合，使其在繼續(xù)生長(zhǎng)的過(guò)程中不能延伸至薄膜表面．同時(shí)，H2在反應(yīng)過(guò)程中可以與O及C等雜質(zhì)元素反應(yīng)，有利于減少外延生長(zhǎng)中的非故意摻雜，從而減少點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的形成[21]．H2相對(duì)分子質(zhì)量小、黏度小、純度高及攜帶靈活，也容易使雜質(zhì)成分散出．

表1　AlN薄膜(0002)和(10-12)面RC掃描半峰寬值對(duì)照表

2.3通入適量H2對(duì)AlN薄膜界面性能的影響

X射線(xiàn)小角度反射(GIXR)是一種小角度(2θ15)的θ/2θ測(cè)量方式，探測(cè)得到的是X射線(xiàn)的強(qiáng)度隨入射角的變化曲線(xiàn)，并可運(yùn)用X射線(xiàn)動(dòng)力學(xué)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線(xiàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得有關(guān)薄膜厚度、表面與界面特性等方面的信息．X射線(xiàn)在界面各處發(fā)生反射是由于各層介質(zhì)對(duì)X射線(xiàn)的折射率不同，故GIXR曲線(xiàn)對(duì)表面/界面的粗糙度很敏感．如果是粗糙或者擴(kuò)散的表面/界面會(huì)增加散射矢量和角度，表面/界面越粗糙反射強(qiáng)度下降越快，并會(huì)影響到曲線(xiàn)的振蕩性[22]．因此，常用GIXR曲線(xiàn)來(lái)研究Si襯底上外延生長(zhǎng)AlN薄膜的表面/界面情況[23-24]．

在MOCVD高溫高壓的生長(zhǎng)條件下，Si原子容易從襯底中逃逸．一方面,Si原子會(huì)與N及Al發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成原子排列混亂的粗糙界面層[25]；另一方面,Si原子的逸出造成了襯底與外延層更大的晶格失配，在后續(xù)薄膜生長(zhǎng)中因失配應(yīng)力而產(chǎn)生更多位錯(cuò)和裂紋，對(duì)薄膜的晶體質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響[26]．圖4為樣品A與樣品B的GIXR曲線(xiàn)．從圖4可見(jiàn)：樣品A的GIXR曲線(xiàn)強(qiáng)度下降較快，且低于樣品B的GIXR曲線(xiàn)強(qiáng)度；樣品A的GIXR曲線(xiàn)振蕩性不如樣品B．這表明樣品A的表面/界面性能較差，粗糙度高于樣品B．

3結(jié)論

對(duì)在Si(111)襯底上采用MOCVD技術(shù)外延生長(zhǎng)AlN薄膜，通入適量H2對(duì)AlN薄膜性能的影響進(jìn)行了探討．結(jié)果表明，在Si襯底上生長(zhǎng)AlN薄膜過(guò)程中，通入適量H2，AlN薄膜的表面形貌、晶體質(zhì)量及界面性能均有所改善．適量H2的引入有利于A(yíng)lN島的橫向生長(zhǎng)與合并成膜．H2能與雜質(zhì)元素反應(yīng)并攜帶其散出，減少外延生長(zhǎng)過(guò)程中的非故意摻雜．

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Effect of hydrogen atmosphere on the properties of AlN films epitaxially grown on Si substrate by MOCVD

YANG Meijuan1，LIN Yunhao1，WANG Wenliang1，LIN Zhiting1，LI Guoqiang1,2

1.StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDevices，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China；2.EngineeringResearchCenteronSolid-StateLightinganditsInformationisationofGuangdongProvince，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China

Abstract:AlN epitaxial films were grown on Si(111) substrates by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). The surface morphology, crystalline quality, and interfacial property of as-grown AlN films have been investigated systematically, and the effect of hydrogen atmosphere on the properties of AlN films were studied in detail. The results reveal that the root-mean-square (RMS) roughness of ～110 nm-thick AlN films is greatly reduced from 4.0 nm to 2.1 nm, and the full-width at half-maximum (FWHM) value of X-ray rocking curve of AlN(10-12) is dramatically decreased from 1.1 to 0.9 by introducing a certain amount of hydrogen when compared with that grown without hydrogen.

Key words:Si substrates；AlN films；hydrogen；MOCVD.

中圖分類(lèi)號(hào)：TN304.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9981(2016)01-0010-06

作者簡(jiǎn)介：楊美娟(1992-)，女，福建省平潭縣人，碩士研究生.

*基金項(xiàng)目：國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)家基金(51422203)；廣東省杰出青年科學(xué)家基金(S2013050013882)；廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014B010119001)

收稿日期：2015-11-11