高Al组分AlGaN材料的制备与表征

杨莲红 王俊珺

（1，2.昌吉学院物理系 新疆 昌吉 831100）

1 引言

AlGaN被称为Ⅲ族氮化物（Ⅲ-Ⅴ）材料，或称为氮化镓及其氮化物材料以及氮化镓基（GaNBased）材料，纤锌矿结构的GaN基三元合金Alx-Ga1-xN（0≤x≤1）材料是宽禁带的直接带隙半导体材料，其禁带宽度随着材料Al组分的变化可以从GaN的3.4eV连续变化到AlN的6.2eV，AlGaN材料制作的紫外探测器的截止波长对应地可以连续从365nm变化到200nm，利用禁带宽度随组分线性变化近似的经验公式，可以估算出要制作日盲型紫外探测器，AlxGa1-xN材料的Al组分X需要达到40%以上，也就是AlGaN材料必须是高Al组分［1］［2］［3］。随着紫外探测器的应用不断向更深紫外波段延伸，AlGaN材料和紫外光电探测器工艺技术的不断改进，高Al组分AlGaN材料及Al-GaN紫外探测器的研究成为紫外探测技术的主要发展方向之一［4-5］。

由于缺少和AlGaN材料相匹配的衬底材料，晶格常数失配所引起的应力和生长过程中所引入的残余热应力会在界面外形成大量的位错，并且随着Al含量的增加会导致材料内部位错密度的急剧增加，因而制作较厚（100nm～200nm）的且Al组分高的高质量的AlGaN材料面临挑战［6］。

GaN基材料的外延生长通常是在蓝宝石衬底上，由于AlGaN与蓝宝石衬底具有较大的晶格失配和热失配，因此，在生长过程中通常会插入低温AlN缓冲层来释放应力，提供有效的成核中心。在生长外延材料的过程中，通过优化缓冲层可以提高晶体的质量［7-8］。

研究表明：生长压力和生长温度与AlGaN材料的晶体质量有关，在其他工艺条件固定不变的情况下，随着反应室生长压力降低，AlGaN材料的晶体质量也在变好。其他工艺条件固定不变，随着温度升高，样品的背景浓度降低，低值氧化物分解挥发，提高了AlGaN材料的晶体质量［9］。

本文通过优化AlN缓冲层，利用商用低压-金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备在1150°C生长了厚度为400nm高Al组分AlGaN材料，利用高分辨率X射线衍射（HRXRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）材料表征技术对AlGaN材料进行了表征。

2 AlGaN材料的制备

本实验中用以表征的AlGaN材料层次结构示意图如图1所示。

图1 AlGaN材料层次结构示意图

本实验的AlGaN材料是采用商用低压-金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备在（0001）方向的AlN/蓝宝石模板上生长得到的。三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）和高纯氨气分别作为Ga、Al和N源，高纯氢气作为载气。模板衬底经高温烘烤后再生长AlGaN，生长温度在1150℃。

文中使用的测试设备有高分辨X射线衍射仪（HRXRD）是PANalytical X’Pert Pro MRD三轴晶衍射仪。X射线波长为CuKα，装配X射线Mirror镜、Ge（220）四晶单色器和Ge（220）分析晶体，最高分辨率达到12秒。型号为JSM7000F的扫描电子显微镜（SEM）；Veeco公司生产的型号为Nannoscope3a的原子力显微镜（AFM）。

3 AlGaN材料表征及分析

3.1 HRXRD分析

图2 （114）面的倒易空间图

为了显示异质外延系统中的应变与缺陷存在的状态，必须观察倒易格点附近X射线散射强度的分布。为此不仅要观察倒易格点的位置，更关心倒易格点的形状。绘制倒易格点散射强度的分布，以展示倒易格点的形状，即倒易空间图RSM（reciprocal space map，RSM）［10］。

通过HRXRD可以得到衍射晶面非对称面（114）的二维倒易空间图如图2所示。利用倒易空间图可以分析晶体材料的应变、应力、晶面效应及晶向效应［10］。

在六方晶系中，晶格常数和倒易空间矢量之间存在一一对应的关系，具体关系如下：

取λ=1.54056Å，可以计算出a=3.15522Å，c=5.11483Å。

三元化合物固溶体（如AlxGa1-xN）的晶格常数随溶质原子浓度比的变化而变化，AlGaN这种由GaN和AlN组成的固溶体，它的晶格常数随Al-GaN中Al组份的变化而变化，并且其晶格常数在AlN晶格常数和GaN晶格常数之间变化。从计算结果可以看出AlGaN晶格常数：

根据据Vegard定律有以下关系：

由式（5）、式（6）可以计算得到AlGaN材料的理论晶格常数为：

由于材料应变与晶格常数之间存在以下关系：

利用（7）、（8）二式及已得到的c(AlGaN)、a(AlGaN)、a0(AlxGa1-xN)、c0(AlGaN)值，可以求出材料的应变。经计算得：

从上面的计算结果可以看出AlGaN材料的应变值很小，材料的应变程度很小。

3.2 SEM表面形貌表征

图3 SEM表面形貌

图3给出了样品的扫描电镜（SEM）图，从图中可以看出样品表面平整并且致密。

3.3 AFM表面形貌表征

样品的AFM表面形貌表征图如图4所示。由AFM表面形貌图可以得到样品的粗糙度（RMS）为1.32nm，这个数值很小，足以说明样品的表面很平整。

图4 AFM表面形貌图

4 结论

采用商用低压-金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备在（0001）方向的AlN/蓝宝石模板上生长得到了高Al组分的AlGaN材料晶体。通过AFM、SEM表征发现样品的表面平整，晶粒尺寸很小，粗糙度（RMS）为1.32nm。通过高分辨率X射线衍射可以得到衍射晶面（114）的二维倒易空间图（reciprocal space map，RSM），经分析计算得到AlGaN材料的晶格常数a=3.15522Å，c=5.11483Å，材料的应变ε33=0.006417% ，ε11=-0.173%，表明材料的应变程度较小。

［1］龚海梅，李向阳，亢勇等.Ⅲ族氮化物紫外探测器及其研究进展［J］.紫外与红外，2005，35（11）：812-816.

［2］成彩晶，鲁正雄等.AlGaN MSM紫外探测器［J］.红外月刊，2006，27（5）：45-47.

［3］E.Monroy，F.Calle，E.Munoz.AlGaN metal-semiconductor-metal photodiodes.Appl.Phys.Lett.，1999，74（22）：3401-3403.

［4］Mcclintock R，Yasan A，Mayes K，et al.High quantum efficiency AlGaN solar-blind p-i-n photodiodes.Appl Phys Lett.，2004：1248-1250.

［5］黄瑾，洪灵愿，刘宝林等.AlInGaN/GaN PIN紫外光电探测器的研制［J］.半导体光电，2008，29（10）：669-708.

［6］游达，王庆学等.高Al含量AlGaN多层外延材料的应变与位错密度研究［J］.激光与红外，2005，35（11）：880-882.

［7］史会芳，李培咸等.AlN缓冲层对AlGaN表面形貌的影响［J］.光电· 材料，2010，23（7）：55-57.

［8］冯雷，韩军等.高Al组分AlGaN材料优化生长与组分研究［J］.光电子· 激光，2012，23（9）：1754-1759.

［9］刘波，袁凤坡等.AlGaN基p-i-n型日盲紫外探测器材料的研制［J］.半导体技术，2012，37（4）：284-288.

［10］许振嘉.半导体的检测与分析（第二版）［M］.北京：科学出版社，2007.

［11］黄惠忠等.纳米材料分析［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［12］张志焜，崔作林.纳米技术与纳米材料［M］.北京：国防工业出版社，2000.