低温等离子体辅助MOCVD技术制备AlInN薄膜材料的生长及掺杂特性研究

AlInN材料在三元氮化物体系中具有最宽的带隙范围，并可与GaN构成晶格匹配的异质结结构。制备出高质量的AlInN薄膜对构建GaN基半导体器件具有重要意义；但高质量AlInN薄膜的制备甚为困难。本课题拟采用低温等离子体辅助MOCVD技术对全组分范围的AlInN薄膜的生长特性进行研究，以制备出不同组分的高质量AlInN薄膜；同时还将对AlInN薄膜的掺杂特性进行研究。本课题的基本设想是利用低温等离子体技术解决In原子在高温时并入效率降低、发生晶相分离，和Al原子在低温时迁移能力降低造成薄膜结晶质量下降的矛盾。在工艺方法上，拟首先进行AlN和InN薄膜的制备实验，研究不同种类衬底、反应室压强、源气比例、流量、衬底温度、等离子体功率等工艺参数与薄膜生长速率、薄膜组分以及结晶质量的关系；而后根据研究结果确定不同组分AlInN薄膜的制备工艺参数，以制备具有较高质量的AlInN薄膜。

高质量AlInN薄膜的制备在技术上具有较大的困难；根据本项目研究计划的要求，我们分别进行了以下几个方面的工作：.1. 采用MOCVD方法，以蓝宝石(0001)为衬底，在生长温度为700～1100℃，反应室压强为1.5～50Torr，NH3/TMAl流量比为200/1～4000/1的条件下，制备了一系列AlN薄膜。通过X射线衍射表征了薄膜的结构性质，结果表明，在生长温度900℃下得到的薄膜具有较好的结晶质量，温度过低时薄膜生长速率变慢，结晶质量差，温度过高时TMAl与NH3容易发生寄生反应，同样降低了生长速率。另外反应室压强过高也会使寄生反应加强，而低压强有利于增强Al原子的横向迁移率，使薄膜表面更加平整。不同的Ⅲ-Ⅴ族流量比也会对薄膜的生长造成一定的影响。.2. 采用MOCVD方法，以蓝宝石（0001）为衬底，生长温度为400～600℃，反应室压强为30Torr，NH3与TMIn流量比为15000/1～40000/1，制备了一系列InN薄膜。X射线衍射等测试结果显示，在500℃生长温度下得到的薄膜结晶质量较好，所制备的薄膜具有（002）面择优取向；PL谱及透射谱测量表明，薄膜的禁带宽度约为0.94eV；薄膜的霍尔迁移率为44 cm2/v s左右，载流子浓度在2.0143×1020/ cm3左右。.3. 采用MOCVD方法，以高纯三甲基铝为铝源，高纯三甲基铟为铟源，高纯NH3作为氮化剂，分别以蓝宝石(0001)及 GaN（002）外延薄膜为衬底，生长温度为700～900℃，反应室压强为1.5～50Torr，TMIn/TMAl+TMIn为0.1～0.8的条件下，制备了Al1-xInxN薄膜。XRD结果表明所制备的薄膜为多晶，属于纤锌矿结构，其晶格常数随着TMIn的增加而增大，薄膜的禁带宽度则随着TMIn的增加而减小。XPS结果显示随着生长温度升高，薄膜中In含量下降；薄膜的生长速率则随着In含量的增加而减慢。对GaN衬底的AlInN薄膜，前期氮化可提高In的并入效率；薄膜晶粒尺寸随In含量增加而增大，薄膜间应力减小，表面平整度增加，薄膜生长速率变大。.4. 采用射频等离子体辅助MOCVD方法在蓝宝石(0001)衬底上制备了AlN薄膜。采用XRD及SEM等研究了薄膜结构与等离子体放电的关系；结果表明，等离子体放电可使AlN薄膜的沉积温度降低，并有效提高AlN薄膜晶