蓝宝石衬底上单晶 InN 外延膜的 RF2MBE 生长

第26卷　第6期2005年6月

半　导　体　学　报

CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS

Vol.26　No.6

J une ,2005

3国家重点基础研究发展规划(批准号:2002CB311903,G2*******),国家高技术研究发展规划(批准号:2003AA311060)和国家自然科学基金

(批准号:60136020,60137020)资助项目

　肖红领　男,1976年出生,博士研究生,目前主要从事Ⅲ2Ⅴ族氮化物半导体材料的生长研究.Email :hlxiao @http://www.77cn.com.cn 　王晓亮　男,1963年出生,博士,研究员,博士生导师,目前主要从事氮化物材料、物理及器件研究.　2004207226收到,2004209202定稿

Ζ2005中国电子学会

蓝宝石衬底上单晶In N 外延膜的RF 2MBE 生长

3

肖红领　王晓亮　张南红　王军喜　刘宏新　韩　勤　曾一平　李晋闽

(中国科学院半导体研究所,北京　100083)

摘要:采用低温氮化铟(InN )缓冲层,利用射频等离子体辅助分子束外延(RF 2MBE )方法在蓝宝石衬底上获得了晶体质量较好的单晶InN 外延膜.用光学显微镜观察所外延的InN 单晶薄膜,表面无铟滴.InN (0002)双晶X 射线衍射摇摆曲线的半高宽为14′;用原子力显微镜测得的表面平均粗糙度为313nm ;Hall 测量表明InN 外延膜的室温背景电子浓度为313×1018cm -3,相应的电子迁移率为262cm 2/(V ・s ).关键词:RF 2MB E ;氮化铟;DCXRD ;A FM

PACC :7280C ;7360F ;3220R

中图分类号:TN3041054　　　文献标识码:A 　　　文章编号:025324177(2005)0621169204

1　引言

在Ⅲ2Ⅴ族氮化物中,氮化铟(InN )正受到人们

越来越多的关注.与氮化镓(GaN )、氮化铝(AlN )相比,InN 具有最小的有效质量,在理论上具有最高的载流子迁移率[1],所以它在高速微电子器件方面有着广阔的应用前景.同时在Ⅲ2Ⅴ族氮化物中,它还具有最小的直接带隙.最近有文献报道,InN 的禁带宽度应该在018eV 左右[2～6],而不是原先大家所接受的119eV [7],这样就使得Ⅲ2Ⅴ族氮化物的发光波长可以从AlN 的紫外区(612eV )延伸到InN 的红外区(018eV ),成为制备发光器件的合适材料.但InN 的体单晶制备非常困难,到目前为止还没有关

于其体单晶制备的报道.同时由于InN 的分解温度低,而且缺少与之相匹配的异质衬底材料,这使得InN 单晶外延薄膜的制备也变得异常困难.目前人

们对InN 的研究还处于起始阶段,国内还没有InN 生长方面的相关报道.在国外,Mat suoka 等人用MOV PE 方法在蓝宝石衬底上首先成功地得到了单晶的InN 外延膜.但InN 的单晶质量距器件制作的要求还有很大距离,晶体质量还需要进一步改善和提高.

我们通过采用低温InN 缓冲层技术,用RF 2MB E 方法在国内首次生长出单晶InN 外延膜,并用双晶X 射线摇摆曲线(DCXRD )、喇曼光谱、原子力显微镜(A FM )以及Hall 测量对其晶体质量进行了表征.

2　实验

外延生长是在国产分子束外延设备(RF 2MB E )上进行的,N 源由高纯氮气经射频等离子体炉产生,高纯铟作为铟源.衬底为38mm 的(0001)面蓝宝石衬底,衬底清洗方法参见文献[8,9].生长过程分为以下三个步骤:生长前首先把衬底放入生长室中,在N H 3气氛中氮化10～30min ,氮化时的温度和N H 3流量分别为700℃,175sccm ;氮化后再在350℃左右生长5min 的低温InN 缓冲层;接着升高温度到550℃生长约90min 的InN 外延层,其结构如图1所示,最后的生长层厚度约为600nm.生长过程中氮气的流量为116sccm ,等离子体输入功率为400W ,反射功率为15W ,铟炉温度为712℃.整个生长过程由反射式高能电子衍射系统(R H EED )进行原位观测.

半　导　体　学　报第26卷

InN外延层

低温InN缓冲层

氮化层

蓝宝石衬底

图1　InN外延膜生长顺序图

Fig.1　Growth sequence chart of the InN films

样品的结构性质用双晶X射线衍射和喇曼光

谱进行分析,表面形貌用光学显微镜及原子力显微

镜观察,电学性质用Van de Pauw2Hall测量表征,

使用铟作为欧姆电极.

3　结果与讨论

在生长过程中利用R H EED进行观察,发现蓝

宝石衬底在氮化后的R H EED像有很明显的AlN

R H EED条纹(图2(a)),表明在氮化过程中蓝宝石

衬底的表面形成了一薄层AlN;而在低温InN缓冲

层开始生长后衍射图样变成了带点状的条纹(图2

(b)),并且带点状的R H EED条纹一直持续到外延

InN生长的结束,表明外延层出现三维岛状生长.图

3所示的A FM测量结果也证实了这一点,原子力显

微镜扫描图显示生长表面由三维岛状晶粒构成

,表

面2μm×2μm范围内原子力显微镜扫描的均方根粗糙度(RMS)为313nm.

图2　蓝宝石衬底氮化后(a)和InN开始生长后(b)的R H EED 图样

Fig.2　R H EED patterns observed during the growth　

(a)After

nitridation of the sapphire substrate;(b)Af2 ter the deposit of InN film

图3　InN表面A FM形貌图

Fig.3　Surface AFM image of the InN film

图4为InN样品的X射线衍射θ22θ扫描谱和InN(0002)的X射线衍射峰摇摆曲线图谱.由θ22θ衍射图可以看到InN(0002)和InN(0004)衍射峰,说明InN外延层晶体取向性很好.晶体InN(0002)衍射峰的衍射角2θ为31132°,由此得到InN晶格常数c为01574nm,与文献报道值很好地吻合[7,10～13];另一个衍射峰为蓝宝石衬底的(0006)衍射峰.值得注意的是并没有观察到单质铟的衍射峰,说明在生长过程中很好地抑制了铟在表面聚集成滴的现象.这个结果显示我们得到了表面无铟滴的单晶六方纤锌矿结构的InN薄膜.图4的插图给出了该样品 …… 此处隐藏：5000字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……