基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵生長方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵生長方法，主要用于改善氮化鎵材料質(zhì)量。其生長步驟是：(1)制備二硫化錫過渡層；(2)磁控濺射氮化鋁過渡層；(3)熱處理；(4)生長氮化鋁緩沖層；(5)生長低V?Ш比氮化鎵層；(6)生長高V?Ш比氮化鎵層。本發(fā)明的氮化鎵薄膜的優(yōu)點在于，結(jié)合了二硫化錫和磁控濺射氮化鋁，材料質(zhì)量好，適用襯底范圍大，可用于制作高性能的氮化鎵基器件。
【專利說明】
基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵生長方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，更進一步涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵生長方法。本發(fā)明可用于制作氮化鎵薄膜及其器件。
【背景技術(shù)】
[0002]以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿場強高、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕和抗輻照等優(yōu)勢，在光電器件和電子器件等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。近來硅襯底氮化鎵基材料生長及器件應(yīng)用所取得的進展引起人們極大關(guān)注。然而硅襯底與氮化鎵的匹配存在著以下問題:(I)具有較大晶格失配；(2)具有較大的熱膨脹系數(shù)失配。這些會導(dǎo)致硅襯底上外延的氮化鎵薄膜出現(xiàn)高缺陷密度，很難生長出高質(zhì)量的氮化鎵外延層。如何減小這些影響，生長高質(zhì)量氮化鎵薄膜是制作氮化鎵基微波功率器件的關(guān)鍵。
[0003]山東華光光電子有限公司在其申請的專利“一種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結(jié)構(gòu)及其制備方法”(申請?zhí)?201110112819.3，公布號:CN 102769081 A)中公開了一種以石墨烯作為緩沖層外延氮化鎵的結(jié)構(gòu)及其制備方法。該方法的具體步驟如下:(I)在襯底上制備石墨烯層；(2)在石墨烯層上生長一層氮化物薄層；(3)在氮化物薄層上采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法生長GaN層，生長速率為0.5ym/h-6ym/h，生長溫度為900-1200°C，厚度為2μπι-8μπι，使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣。該專利具有成本較低，利于大批量生長的優(yōu)點。但是，該方法仍然存在的不足之處是:1、采用物理氣相淀積的方式需要生長溫度1500°C，這一溫度高于一些襯底如硅的熔點，因此在硅等襯底上無法實現(xiàn)。2、石墨烯厚度很薄，難以有效緩解襯底與氮化鎵的晶格失配，從而極大限制了襯底的選擇范圍。
[0004]蘇州新納晶光電有限公司在其申請的專利“一種石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法”(申請?zhí)?201410580296.9，公布號:CN 104409319 A)中公開了一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法。該方法的具體步驟如下:首先準(zhǔn)備一襯底，在襯底上制備石墨烯薄層;然后在石墨烯薄層上生長GaN緩沖層;所述GaN緩沖層上生長有本征GaN層，所述GaN緩沖層包括低溫GaN緩沖層與高溫GaN緩沖層，所述GaN緩沖層采用間斷式多次重結(jié)晶退火生長的若干厚度相同的低溫GaN緩沖薄層與若干高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成。該方法采用石墨烯作為GaN緩沖層與襯底之間的應(yīng)力釋放基底，可有效降低材料的位錯密度。但是，該方法仍然存在的不足之處是:1、石墨烯在高溫時容易分解產(chǎn)生大量的C雜質(zhì)，直接生長GaN使得雜質(zhì)擴散進入材料中從而影響GaN的材料質(zhì)量。2、石墨烯厚度很薄，難以有效緩解襯底與氮化鎵的晶格失配，從而極大限制了襯底的選擇范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜的生長方法，以提高氮化鎵薄膜質(zhì)量。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體思路是:首先，襯底上生長0.34?20nm的二硫化錫;然后，磁控濺射一層氮化鋁過渡層，以緩解襯底與氮化鎵之間由于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力；接下來，用MOCVD外延一層氮化鋁薄膜作為緩沖層，以提升材料的質(zhì)量;最后，再將樣品用MOCVD依次外延低V/III比氮化鎵外延層和高V/III比氮化鎵外延層。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)關(guān)鍵是:采用二硫化錫、磁控濺射氮化鋁成核層和MOCVD外延氮化鋁的方式，首先在襯底上生長二硫化錫，然后磁控濺射氮化鋁過渡層、最后在通過MOCVD外延氮化鋁緩沖層和氮化鎵外延層;通過調(diào)節(jié)各層生長的壓力、流量、溫度以及厚度生長條件，提高氮化鎵薄膜的質(zhì)量。
[0008]本發(fā)明的具體步驟包括如下:
[0009](I)制備二硫化錫過渡層:
[0010](Ia)分別將A、B、C、D四個石英安瓿用10%的氫氟酸清洗之后徹底干燥，將錫顆粒放入A石英安瓿中，硫晶體放入B石英安瓿中，碘顆粒放入C石英安瓿中，之后密封A、B、C、D四個石英安瓿；
[0011](Ib)將A、B、C三個石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的前段中，將D石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的后段中并打開A、B、C、D四個石英安瓿，之后密封兩段式石英反應(yīng)爐抽真空；
[0012](Ic)將兩段式石英反應(yīng)爐前段溫度升至700°C，后段溫度升至650°C，兩段式石英反應(yīng)爐前段的A石英安瓿中的錫和B石英安瓿中的硫，在高溫下反應(yīng)，經(jīng)C石英安瓿中的碘輸運，在兩段式石英反應(yīng)爐后段的D石英安瓿中生成片狀二硫化錫晶體，持續(xù)12h后關(guān)閉兩段式石英反應(yīng)爐，冷卻至室溫；
[0013](Id)打開兩段式石英反應(yīng)爐，取出兩段式石英反應(yīng)爐后段中的D石英安瓿中反應(yīng)得到的片狀二硫化錫晶體，用丙酮和去離子水沖洗后干燥；
[0014](Ie)將襯底用丙酮和去離子水預(yù)處理后烘干。將片狀二硫化錫晶體放在透明膠的機械剝離機上，機械剝離成二硫化錫納米薄膜，將二硫化錫納米薄膜轉(zhuǎn)移到預(yù)處理后的襯底上，得到覆蓋二硫化錫過渡層的襯底；
[0015](2)磁控濺射氮化鋁過渡層:
[0016](2a)將覆蓋二硫化錫過渡層的襯底置于磁控濺射反應(yīng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)磁控濺射反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室壓力至IPa，向反應(yīng)室中通入氮氣和氬氣5min;
[0017](2b)以5N純度的鋁為靶材，采用射頻磁控濺射工藝，向覆蓋二硫化錫過渡層的襯底上濺射氮化鋁薄膜，得到濺射氮化鋁過渡層的基板；
[0018](3)熱處理:
[0019](3a)將濺射氮化鋁過渡層的基板置于金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，向金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室通入氫氣與氨氣的混合氣體5min;
[0020](3b)通入氫氣與氨氣的混合氣體5min后，將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室加熱到600°C，對濺射氮化鋁過渡層的基板進行20min熱處理，得到熱處理后的基板；
[0021](4)生長氮化鋁緩沖層:
[0022](4a)保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力為40Torr，將溫度升到10500C，依次通入氫氣與氨氣和鋁源；
[0023](4b)在氫氣與氨氣和鋁源的氣氛下，采用金屬有機物化學(xué)氣相淀積法MOCVD在熱處理后的基板上生長氮化鋁緩沖層，得到氮化鋁基板；
[0024](5)生長低V-HI比氮化鎵層:
[0025](5a)將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力降為20Torr，溫度降到1000 °C，依次通入氫氣、氨氣和鎵源；
[0026](5b)在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，采用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD在氮化鋁基板上生長氮化鎵外延層，得到生長有低V-HI比氮化鎵層的基板；
[0027](6)生長高V-HI比氮化鎵層:
[0028](6a)保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度為1000°C，將壓力升高到為40Torr，依次通入氫氣、氨氣和鎵源；
[0029](6b)在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，采用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法，在生長有低V-HI比氮化鎵層的基板上生長高V-HI比氮化鎵層；
[0030](6c)將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度降至室溫后取出樣品，得到氮化鎵薄膜。
[0031 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0032]第一，由于本發(fā)明采用二硫化錫作為襯底上生長氮化鎵薄膜的過渡層，克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用石墨烯作為襯底的過渡層過于平坦而不利于后續(xù)氮化鎵成核的問題，使得本發(fā)明二硫化錫過渡層相比石墨烯過渡層具有更大起伏的表面形貌，利于后續(xù)氮化鎵生長初期過程的成核島形成，使得本發(fā)明的氮化鎵材料質(zhì)量得到改善。
[0033]第二，由于本發(fā)明采用磁控濺射氮化鋁過渡層和金屬有機物化學(xué)氣相淀積氮化鋁緩沖層，克服了現(xiàn)有技術(shù)中氮化物材料只能在晶格失配較小的襯底上生長的問題，使得本發(fā)明的氮化鎵在晶格失配較大的襯底上進行生長，因此克服了氮化鎵材料對襯底的強烈依賴性從而擴展氮化鎵材料的應(yīng)用范圍。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0035]圖2是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案和效果做進一步的說明。
[0037]參照附圖1，本發(fā)明的具體步驟如下。
[0038]步驟1.制備二硫化錫過渡層:
[0039]先分別將A、B、C、D四個石英安瓿用10%的氫氟酸清洗之后徹底干燥，將錫顆粒放入A石英安瓿中，硫晶體放入B石英安瓿中，碘顆粒放入C石英安瓿中，之后密封A、B、C、D四個石英安瓿。將A、B、C三個石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的前段中，將D石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的后段中并打開A、B、C、D四個石英安瓿，之后密封兩段式石英反應(yīng)爐抽真空。將兩段式石英反應(yīng)爐前段溫度升至700°C，后段溫度升至650°C，兩段式石英反應(yīng)爐前段的A石英安瓿中的錫和B石英安瓿中的硫，在高溫下反應(yīng)，經(jīng)C石英安瓿中的碘輸運，持續(xù)12h后關(guān)閉兩段式石英反應(yīng)爐，冷卻至室溫，在兩段式石英反應(yīng)爐后段的D石英安瓿中生成片狀二硫化錫晶體。然后打開兩段式石英反應(yīng)爐，取出兩段式石英反應(yīng)爐后段中的D石英安瓿中反應(yīng)得到的片狀二硫化錫晶體，用丙酮和去離子水沖洗后干燥。將襯底用丙酮和去離子水預(yù)處理后烘干。將片狀二硫化錫晶體放在透明膠的機械剝離機上，機械剝離成二硫化錫納米薄膜，將二硫化錫納米薄膜轉(zhuǎn)移到預(yù)處理后的襯底上，得到覆蓋二硫化錫過渡層的襯底。其中，錫顆粒純度范圍為99.8 %?99.9%，物質(zhì)的量為3.0O?4.08毫摩爾;硫晶體的純度范圍為99.0%?99.9%，硫晶體的物質(zhì)的量為7.00?8.15毫摩爾；碘顆粒的純度范圍為99.0%?99.9%，碘顆粒的質(zhì)量范圍為每單位體積2.0?3.0毫克;真空的壓強< I X 1(Γ4帕；片狀二硫化錫晶體的純度范圍為99.0%?99.9% ;襯底材料可采用硅、藍(lán)寶石、氮化鎵三種材料中的任意一種。二硫化錫納米薄膜的厚度范圍為0.34nm?20nm，純度范圍為99.0 %?99.9%。
[0040]步驟2.磁控濺射氮化鋁過渡層。
[0041 ]先將覆蓋二硫化錫過渡層的襯底置于磁控濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)磁控濺射反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室壓力至IPa，向反應(yīng)室中通入氮氣和氬氣5min。再以5Ν純度的鋁為靶材，采用射頻磁控濺射，在覆蓋二硫化錫過渡層的襯底上濺射氮化鋁薄膜，以緩解襯底與氮化鎵之間由于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，得到濺射氮化鋁過渡層的基板。氮化鋁過渡層厚度為10?10nm
[0042]步驟3.熱處理。
[0043]先將濺射氮化鋁過渡層的基板置于金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，向金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中通入氫氣與氨氣的混合氣體5min。之后，將反應(yīng)室加熱到600°C，對濺射氮化鋁過渡層的基板進行20min熱處理，得到熱處理后的基板。
[0044]步驟4.生長氮化鋁緩沖層。
[0045]保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力為40Torr，將溫度升到1050 °C，依次通入氫氣、氨氣和招源。然后在氫氣、氨氣和的招源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法在熱處理后的基板上生長氮化鋁緩沖層，得到氮化鋁基板。氮化鋁緩沖層的厚度為5?50nm，招源流量為5?lOOymol/min;氨氣流量為100?5000sccm。
[0046]步驟5.生長低V-1II比氮化鎵層。
[0047]將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力降為20Torr，溫度降到1000 °C，依次通入氫氣、氨氣和鎵源。然后在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD在氮化鋁基板上生長氮化鎵外延層，得到生長有低V-HI比氮化鎵層的基板。低V-HI比氮化鎵層的厚度為50?200nm，鎵源流量為10?200ymol/min;氨氣流量為1000?3500sccmo
[0048]步驟6.生長高V-1II比氮化鎵層。
[0049]保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度為1000°C，將壓力升高到為40Torr，依次通入氫氣、氨氣和鎵源。在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法，在生長有低V-HI比氮化鎵層的基板上生長高V-HI比氮化鎵層。將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度降至室溫后取出樣品，得到氮化鎵薄膜。高V-HI比氮化鎵層的厚度為500?3000nm，鎵源流量為10?200ymol/min;氨氣流量為4000?lOOOOsccm。
[0050]本發(fā)明制作的基于二硫化錫與磁控濺射氮化鋁的氮化鎵如圖2所示，其結(jié)構(gòu)自下而上依次為:襯底1、二硫化錫過渡層2、氮化鋁過渡層3、氮化鋁緩沖層4、低V-HI比氮化鎵層
5、高V-HI比氮化鎵層6。
[0051]下面通過在硅和藍(lán)寶石襯底上，改變生長氮化鋁過渡層時，對鋁源流量為5?100μmol/min和氨氣流量為100?5000sccm范圍內(nèi)選取不同值而獲得不同極性的氮化鎵薄膜的兩個實施例，對本發(fā)明做進一步的描述。
[0052]實施例1:基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的Ga面氮化鎵薄膜。
[0053]步驟一.制備二硫化錫過渡層。
[0054]先分別將A、B、C、D四個石英安瓿用10%的氫氟酸清洗之后徹底干燥，將錫顆粒放入A石英安瓿中，錫顆粒的純度為99.9%,物質(zhì)的量為4.08毫摩爾；硫晶體放入B石英安瓿中，硫晶體的純度為99.9%，物質(zhì)的量為8.15毫摩爾;碘顆粒放入C石英安瓿中，碘顆粒的純度為99.9%，質(zhì)量為每單位體積2.0?3.0毫克;之后密封43、(:、0四個石英安瓿。將4、8、(:三個石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的前段中，將D石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的后段中并打開A、B、C、D四個石英安瓿，之后密封兩段式石英反應(yīng)爐抽真空，真空的壓強為8 X 104帕。將兩段式石英反應(yīng)爐前段溫度升至700°C，后段溫度升至650°C，兩段式石英反應(yīng)爐前段的A石英安瓿中的錫和B石英安瓿中的硫，在高溫下反應(yīng)，經(jīng)C石英安瓿中的碘輸運，持續(xù)12h后關(guān)閉兩段式石英反應(yīng)爐，冷卻至室溫，在兩段式石英反應(yīng)爐后段的D石英安瓿中生成片狀二硫化錫晶體。然后打開兩段式石英反應(yīng)爐，取出兩段式石英反應(yīng)爐后段中的D石英安瓿中反應(yīng)得到的片狀二硫化錫晶體，用丙酮和去離子水沖洗后干燥。將硅襯底用丙酮和去離子水預(yù)處理后烘干。將片狀二硫化錫晶體放在透明膠的機械剝離機上，機械剝離成二硫化錫納米薄膜，將二硫化錫納米薄膜轉(zhuǎn)移到預(yù)處理后的襯底上，得到覆蓋二硫化錫過渡層的襯底，二硫化錫過渡層的厚度為1nm，純度為99.9%。
[0055]步驟二.磁控濺射氮化鋁過渡層。
[0056]先將覆蓋二硫化錫過渡層的襯底置于磁控濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)磁控濺射反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室壓力至IPa，向反應(yīng)室中通入氮氣和氬氣5min。再以5N純度的鋁為靶材，采用射頻磁控濺射，在覆蓋二硫化錫過渡層的襯底上濺射氮化鋁薄膜，以緩解襯底與氮化鎵之間由于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，得到濺射氮化鋁過渡層的基板，氮化鋁過渡層的厚度為20nm。
[0057]步驟三.熱處理。
[0058]先將濺射氮化鋁過渡層的基板置于金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，向金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中通入氫氣與氨氣的混合氣體5min。之后，將反應(yīng)室加熱到600°C，對濺射氮化鋁過渡層的基板進行20min熱處理，得到熱處理后的基板。
[0059]步驟四.生長氮化鋁緩沖層。
[0060]在鋁源流量為5-100ymol/min和氨氣流量為100-5000sccm的范圍內(nèi)分別取20μ11101/111；[11和300800]1作為本實施例的參數(shù)。
[0061 ] 保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力為40Torr，將溫度升到1050°C，依次通入氫氣、氨氣和招源。然后在氫氣、氨氣和的招源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法在熱處理后的基板上生長氮化鋁緩沖層，得到氮化鋁基板。
[0062]步驟五.生長低V-HI比氮化鎵層。
[0063]將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力降為20Torr，溫度降到1000 °C，依次通入氫氣、氨氣和鎵源;接著在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD在氮化鋁基板上生長氮化鎵外延層，得到生長有低V-HI比氮化鎵層的基板。其中鎵源流量為120ymol/min;氨氣流量為3000sccmo
[0064]步驟六.生長高V-1II比氮化鎵層。
[0065]保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度為1000°C，將壓力升高到為40Torr，依次通入氫氣、氨氣和鎵源;在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法在生長有低V-HI比氮化鎵層的基板上生長1500nm高V-HI比氮化鎵層，其中鎵源流量為120ymol/min，氨氣流量為5000sCCm。最后將反應(yīng)室溫度降至室溫后取出樣品，得到Ga面氮化鎵。
[0066]實施例2:基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的N面氮化鎵薄膜。
[0067]步驟A.制備二硫化錫過渡層:
[0068]先分別將A、B、C、D四個石英安瓿用10%的氫氟酸清洗之后徹底干燥，將錫顆粒放入A石英安瓿中，錫顆粒的純度為99.9%,物質(zhì)的量為4.08毫摩爾；硫晶體放入B石英安瓿中，硫晶體的純度為99.9%，物質(zhì)的量為8.15毫摩爾;碘顆粒放入C石英安瓿中，碘顆粒的純度為99.9%，質(zhì)量為每單位體積2.0?3.0毫克;之后密封43、(:、0四個石英安瓿。將4、8、(:三個石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的前段中，將D石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的后段中并打開A、B、C、D四個石英安瓿，之后密封兩段式石英反應(yīng)爐抽真空，真空的壓強為8 X 104帕。將兩段式石英反應(yīng)爐前段溫度升至700°C，后段溫度升至650°C，兩段式石英反應(yīng)爐前段的A石英安瓿中的錫和B石英安瓿中的硫，在高溫下反應(yīng)，經(jīng)C石英安瓿中的碘輸運，持續(xù)12h后關(guān)閉兩段式石英反應(yīng)爐，冷卻至室溫，在兩段式石英反應(yīng)爐后段的D石英安瓿中生成片狀二硫化錫晶體。然后打開兩段式石英反應(yīng)爐，取出兩段式石英反應(yīng)爐后段中的D石英安瓿中反應(yīng)得到的片狀二硫化錫晶體，用丙酮和去離子水沖洗后干燥。將藍(lán)寶石襯底用丙酮和去離子水預(yù)處理后烘干。將片狀二硫化錫晶體放在透明膠的機械剝離機上，機械剝離成二硫化錫納米薄膜，將二硫化錫納米薄膜轉(zhuǎn)移到預(yù)處理后的襯底上，得到覆蓋二硫化錫過渡層的襯底，二硫化錫過渡層的厚度為1nm，純度為99.9%。
[0069]步驟B.磁控濺射氮化鋁過渡層。
[0070]先將覆蓋二硫化錫過渡層的襯底置于磁控濺射系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)磁控濺射反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室壓力至IPa，向反應(yīng)室中通入氮氣和氬氣5min。再以5N純度的鋁為靶材，采用射頻磁控濺射，在覆蓋二硫化錫過渡層的襯底上濺射氮化鋁薄膜，以緩解襯底與氮化鎵之間由于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，得到濺射氮化鋁過渡層的基板，氮化鋁過渡層的厚度為20nm。
[0071]步驟C.熱處理。
[0072]先將濺射氮化鋁過渡層的基板置于金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，向金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中通入氫氣與氨氣的混合氣體5min。之后，將反應(yīng)室加熱到600°C，對濺射氮化鋁過渡層的基板進行20min熱處理，得到熱處理后的基板。
[0073]步驟D.生長氮化鋁緩沖層。
[0074]在鋁源流量為5-100ymol/min和氨氣流量為100-5000sccm的范圍內(nèi)分別取20μ11101/111；[11和3000800]1作為本實施例的參數(shù)。
[0075]保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力為40Torr，將溫度升到1050 °C，依次通入氫氣、氨氣和招源。然后在氫氣、氨氣和的招源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法在熱處理后的基板上生長氮化鋁緩沖層，得到氮化鋁基板。
[0076]步驟E.生長低V-HI比氮化鎵層。
[0077]將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力降為20Torr，溫度降到1000 °C，依次通入氫氣、氨氣和鎵源。接著在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD在氮化鋁基板上生長150nm低V-HI比氮化鎵外延層，其中鎵源流量為150ymol/min，氨氣流量為2000SCCm。得到生長有低V-HI比氮化鎵層的基板；
[0078]步驟F.生長高V-HI比氮化鎵層。
[0079]保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度為1000°C，將壓力升高到為40Torr，依次通入氫氣、氨氣和鎵源;在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法在生長有低V-HI比氮化鎵層的基板上生長1200nm高V-HI比氮化鎵外延層，其中鎵源流量為150ymol/min，氨氣流量為5000SCCm。最后將反應(yīng)室溫度降至室溫后取出樣品，得到N面氮化鎵。
【主權(quán)項】
1.一種基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，包括如下步驟: (1)制備二硫化錫過渡層: (Ia)分別將A、B、C、D四個石英安瓿用10%的氫氟酸清洗之后徹底干燥，將錫顆粒放入A石英安瓿中，硫晶體放入B石英安瓿中，碘顆粒放入C石英安瓿中，之后密封A、B、C、D四個石英安咅瓦； (Ib)將A、B、C三個石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的前段中，將D石英安瓿放入兩段式石英反應(yīng)爐的后段中并打開A、B、C、D四個石英安瓿，之后密封兩段式石英反應(yīng)爐抽真空； (Ic)將兩段式石英反應(yīng)爐前段溫度升至700°(:，后段溫度升至650°(:，兩段式石英反應(yīng)爐前段的A石英安瓿中的錫和B石英安瓿中的硫，在高溫下反應(yīng)，經(jīng)C石英安瓿中的碘輸運，持續(xù)12h后關(guān)閉兩段式石英反應(yīng)爐，冷卻至室溫，在兩段式石英反應(yīng)爐后段的D石英安瓿中生成片狀一.硫化錫晶體； (Id)打開兩段式石英反應(yīng)爐，取出兩段式石英反應(yīng)爐后段中的D石英安瓿中反應(yīng)得到的片狀二硫化錫晶體，用丙酮和去離子水沖洗后干燥； (Ie)將襯底用丙酮和去離子水預(yù)處理后烘干，將片狀二硫化錫晶體放在透明膠的機械剝離機上，機械剝離成二硫化錫納米薄膜，將二硫化錫納米薄膜轉(zhuǎn)移到預(yù)處理后的襯底上，得到覆蓋二硫化錫過渡層的襯底； (2)磁控濺射氮化鋁過渡層: (2a)將覆蓋二硫化錫過渡層的襯底置于磁控濺射反應(yīng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)磁控濺射反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)室壓力至IPa，向反應(yīng)室中通入氮氣和氬氣5min; (2b)以5N純度的鋁為靶材，采用射頻磁控濺射工藝，向覆蓋二硫化錫過渡層的襯底上濺射氮化鋁薄膜，得到濺射氮化鋁過渡層的基板； (3)熱處理: (3a)將濺射氮化鋁過渡層的基板置于金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，向金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室通入氫氣與氨氣的混合氣體5min; (3b)通入氫氣與氨氣的混合氣體5min后，將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室加熱到600°C，對濺射氮化鋁過渡層的基板進行20min熱處理，得到熱處理后的基板； (4)生長氮化鋁緩沖層: (4a)保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力為40Torr，將溫度升到1050°C，依次通入氫氣與氨氣和鋁源； (4b)在氫氣與氨氣和鋁源的氣氛下，采用金屬有機物化學(xué)氣相淀積法MOCVD在熱處理后的基板上生長氮化鋁緩沖層，得到氮化鋁基板； (5)生長低V-HI比氮化鎵層: (5a)將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室壓力降為20Torr，溫度降到1000°C，依次通入氫氣、氨氣和鎵源； (5b)在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD在氮化招基板上生長氮化鎵外延層，得到生長有低V-HI比氮化鎵層的基板； (6)生長高V-HI比氮化鎵層: (6a)保持金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度為1000 °C，將壓力升高到為40Torr，依次通入氫氣、氨氣和鎵源； (6b)在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，米用金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD法，在生長有低V-HI比氮化鎵層的基板上生長高v-πι比氮化鎵層； (6c)將金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室溫度降至室溫后取出樣品，得到氮化鎵薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(Ia)中所述錫顆粒純度范圍為99.8 %?99.9%,物質(zhì)的量為3.00?4.08毫摩爾;所述硫晶體的純度范圍為99.0 %?99.9%，硫晶體的物質(zhì)的量為7.00?8.15毫摩爾；所述碘顆粒的純度范圍為99.0%?99.9%，碘顆粒的質(zhì)量范圍為每單位體積2.0?3.0毫克。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(Ib)中所述的真空的壓強<1 X 1(Γ4帕。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(Ic)中所述片狀二硫化錫晶體的純度范圍為99.0%?99.9%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(Ie)中所述二硫化錫過渡層的厚度范圍為0.34nm?20nm，純度范圍為99.0%?99.9%。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(Ie)中所述襯底材料可采用硅、藍(lán)寶石、氮化鎵三種材料中的任意一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(2b)中所述氮化鋁過渡層的厚度范圍為10?lOOnm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(4b)中所述的氮化鋁緩沖層的厚度為5?50nm，鋁源流量為5?10ymol/min ；氨氣流量為100?5000sccm。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(5b)中所述的低V-HI比氮化鎵層的厚度為50?200nm，鎵源流量為10?200μ11101/111；[11;氨氣流量為1000?35008(30]1。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二硫化錫和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵薄膜生長方法，其特征在于，步驟(6b)中所述的高V-πι比氮化鎵層的厚度為500?3000nm，鎵源流量為10?200ymol/min ；氨氣流量為4000 ?lOOOOsccm。
【文檔編號】C23C14/06GK105977135SQ201610334385
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】張進成, 陳智斌, 龐凱, 呂佳騏, 朱家鐸, 許晟瑞, 林志宇, 寧靜, 張金風(fēng), 郝躍
【申請人】西安電子科技大學(xué)