H2气氛对采用MOCVD法在Si衬底上外延生长AlN薄膜性能的影响*

杨美娟，林云昊，王文樑，林志霆，李国强,2

1.华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510640；

2.华南理工大学广东省半导体照明与信息化工程技术研究中心，广东 广州 510640



H2气氛对采用MOCVD法在Si衬底上外延生长AlN薄膜性能的影响*

杨美娟1，林云昊1，王文樑1，林志霆1，李国强1,2

1.华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510640；

2.华南理工大学广东省半导体照明与信息化工程技术研究中心，广东 广州 510640

摘要：采用金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)在Si(111)衬底上外延生长AlN薄膜，用高分辨X射线衍射、扫描电子显微镜和原子力显微镜对外延生长所得AlN薄膜的性能进行表征，并研究了适量H2的引入对AlN薄膜的晶体结构和表面形貌的影响．结果表明：在Si衬底上外延生长AlN薄膜过程中引入适量H2，有利于提高AlN岛间愈合程度，薄膜表面缺陷减少，表面粗糙度由4.0 nm减少至2.1 nm；适量H2的引入可使AlN薄膜的(0002)和(10-12)面的X射线摇摆曲线的半峰宽(FWHM)值从0.7及1.1分别减小到0.6和0.9，即刃型穿透位错密度和螺型穿透位错密度减少．

关键词：Si衬底；AlN薄膜；H2；MOCVD

在现存半导体材料中AlN具有超过6 eV的最宽直接带隙，且其载流子饱和迁移率、热导率、压电性能及耐高温抗辐射能力，相比其他很多半导体材料有着不可替代的优势[1-2].因此，AlN在深紫外探测器、抗辐射器件、大功率器件等领域中有着广阔的应用前景[3-4].目前，常用于生长AlN薄膜的衬底材料有蓝宝石、SiC和Si等．但蓝宝石衬底不导电，使用范围有限；SiC衬底价格偏高；Si衬底相比前两者成本低、尺寸大、导热导电性好及加工方便等诸多优势受到广泛关注．在Si衬底上外延生长AlN薄膜，已成为研究界和产业界的焦点[5-6].采用金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)，在Si衬底上制备AlN薄膜是目前主要的研究方向．想要在Si衬底上获得高质量的AlN薄膜依然存在以下问题[7-9]：AlN与Si衬底间存在较大的晶格失配(19.3%)，容易因为较大的失配应力而产生大量位错与裂纹；Al元素化学性能活泼，容易与O及C等杂质元素发生反应，难以获得高质量的AlN薄膜．研究者已经对AlN薄膜的生长速率、反应温度、反应室气压等工艺条件进行了深入地研究，以提高AlN薄膜的质量而获得高性能的器件[10-12].对于反应腔内气氛，其对AlN膜生长至关重要[13-14]，特别是H2载气对AlN薄膜性能影响的研究却不多见．

本文采用MOCVD技术在Si(111)衬底上外延生长AlN薄膜，研究了反应腔内通入适量H2载气对AlN薄膜晶体结构和表面形貌的影响，并详细讨论引入适量H2载气的作用机理．这是对高质量AlN薄膜生长研究的进一步完善，为获得高性能AlN基器件奠定基础．

1实验部分

用Veeco公司研制的K465i型MOCVD设备外延生长AlN薄膜，以三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)作为Al源和N源，材料中不进行任何故意掺杂．在生长前，用酸性溶液(浓度为98%的H2SO4、浓度为30%的H2O2和H2O，其比例为3:1:1)和浓度为5%的HF，对尺寸为101.6 mm的Si衬底进行清洗，以除去表面的污染物．衬底放入反应室后，在H2气氛压力为6666.1 Pa高压下再次进行衬底清洁．本实验准备了两组样品，样品A是只采用N2为载气而得到的AlN薄膜，样品B是通入适量H2和N2混合气体为载气而得到的AlN薄膜．除此之外，两个样品的生长温度均为1100 ℃，压力为6666.1 Pa，生长厚度为110 nm．

用高分辨X射线衍射仪(HRXRD，Bruker D8，Cu K1X射线源=1.5406Å)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)对样品进行测试．

2结果与讨论

2.1通入适量H2对AlN薄膜表面形貌的影响

图1　AlN薄膜的SEM图样品A；(b)样品BFig.1　SEM images for AlN films (a) sample A；(b) sample B

对样品A和B的表面进行SEM表征，结果如图1所示．从图1(a)可见，AlN薄膜表面存在大量凹坑，尺寸不一，且没有合并的AlN孤岛．从图1(b)可见，AlN薄膜表面凹坑逐渐愈合，凹坑数量显著减少．表明通入适量H2有利于AlN逐渐成膜，并且呈现2D层状生长模式．进一步对两个样品进行AFM测试，图2为样品A和B的表面三维形貌，扫描面积为5m×5m．从图2可见：样品A及样品B对应的表面粗糙度分别为4.0 和2.1 nm；样品A表面的岛密度较大且形状尖锐不一，这增加了表面的起伏程度，从而导致表面粗糙度较大；样品B中AlN岛的纵向生长速度较样品A的慢，但AlN岛的横向生长速度较快并开始愈合，这说明适量H2的引入促进了AlN岛的愈合，加快了AlN从3D生长模式向2D的转变，与SEM测试结果相吻合．这是由于AlN与Si衬底间存在较大的晶格失配(19.3%)，且Al原子在衬底表面的原子迁移率低，从而导致AlN很容易以岛状形式生长[15]．在反应腔体内总气压不变的情况下，通入适量H2后降低了NH3的分压，使反应界面附近的气体分子密度有所下降，从而使反应物扩散距离较长，缓解了AlN的岛状生长并有利于AlN岛的横向生长与合并成膜[16]．

2.2通入适量H2对AlN薄膜结构性能的影响

图2　AlN薄膜的表面三维形貌图(a)样品A；(b)样品BFig.2　3D images for the surface of AlN films (a) sample A; (b) sample B

图3　样品A和B的2θ-ω和φ的扫描图(a)2θ-ω扫描图；(b)φ的扫描图Fig.3　XRD 2θ-ω measurements and XRD φ scans for sample A and sample B(a) XRD2θ-ω measurements；(b) XRD φ scans

图3为样品的2θ-ω和φ扫描图．从图3(a)可见：当2θ分别为36.02和76.40时，对应的是AlN(0002)和AlN(0004)晶面的衍射峰；当2θ分别为28.40，58.5和94.90时，分别对应Si(111)，(222)和(333)晶面衍射峰，此外无其他的衍射峰．这表明，两个样品均具有良好的c轴择优取向．对两个样品(10-12)晶面进行φ扫描(图3(b))发现，两个样品均表现出面内六次旋转对称，说明生长的AlN薄膜和Si衬底具有良好的面内对称关系．因此，结合X射线的面外和面内扫描结果可知，本实验外延生长的AlN薄膜为单晶薄膜．为了进一步研究通入适量H2后对AlN薄膜晶体质量的影响，对两个样品进行了对称(0002)面和非对称(10-12)面的X射线摇摆曲线(RC)扫描．由于(0002)面RC扫描对于螺位错的分布密度较敏感，(10-12)面RC扫描代表刃位错和混合位错的分布情况，因此可利用不同晶面的RC扫描半峰宽(FWHM)的大小研究薄膜晶体的质量[17-18]．RC扫描FWHM值越小，意味着晶体生长的质量越好．表1为样品A和样品B中AlN薄膜的(0002)面和(10-12)面的RC扫描FWHM值．由表1可以看出，在Si衬底上外延AlN薄膜过程中引入适量H2可使AlN薄膜的(0002)和(10-12)面的RC曲线的半峰宽值(FWHM)分别从0.7和1.1减小到0.6和0.9．通过公式D=β2/9b2[19-20]，对AlN薄膜的刃型位错和螺型位错分别进行计算，其中D代表位错密度，β代表RC曲线半峰宽，b代表位错的伯氏矢量大小．经计算样品A的螺位错密度、刃位错和混合位错密度，分别是样品B的1.17和1.22倍．结果再一次表明，通入适量H2后AlN薄膜位错大大减少，晶体质量得到提高．通入适量H2有利于AlN岛的横向生长及合并成膜，穿透位错也在AlN横向生长过程中发生弯曲闭合，使其在继续生长的过程中不能延伸至薄膜表面．同时，H2在反应过程中可以与O及C等杂质元素反应，有利于减少外延生长中的非故意掺杂，从而减少点缺陷和位错的形成[21]．H2相对分子质量小、黏度小、纯度高及携带灵活，也容易使杂质成分散出．

表1　AlN薄膜(0002)和(10-12)面RC扫描半峰宽值对照表

2.3通入适量H2对AlN薄膜界面性能的影响

X射线小角度反射(GIXR)是一种小角度(2θ15)的θ/2θ测量方式，探测得到的是X射线的强度随入射角的变化曲线，并可运用X射线动力学理论对实验测量曲线进行数值模拟，获得有关薄膜厚度、表面与界面特性等方面的信息．X射线在界面各处发生反射是由于各层介质对X射线的折射率不同，故GIXR曲线对表面/界面的粗糙度很敏感．如果是粗糙或者扩散的表面/界面会增加散射矢量和角度，表面/界面越粗糙反射强度下降越快，并会影响到曲线的振荡性[22]．因此，常用GIXR曲线来研究Si衬底上外延生长AlN薄膜的表面/界面情况[23-24]．

在MOCVD高温高压的生长条件下，Si原子容易从衬底中逃逸．一方面,Si原子会与N及Al发生化学反应，形成原子排列混乱的粗糙界面层[25]；另一方面,Si原子的逸出造成了衬底与外延层更大的晶格失配，在后续薄膜生长中因失配应力而产生更多位错和裂纹，对薄膜的晶体质量产生不利的影响[26]．图4为样品A与样品B的GIXR曲线．从图4可见：样品A的GIXR曲线强度下降较快，且低于样品B的GIXR曲线强度；样品A的GIXR曲线振荡性不如样品B．这表明样品A的表面/界面性能较差，粗糙度高于样品B．

3结论

对在Si(111)衬底上采用MOCVD技术外延生长AlN薄膜，通入适量H2对AlN薄膜性能的影响进行了探讨．结果表明，在Si衬底上生长AlN薄膜过程中，通入适量H2，AlN薄膜的表面形貌、晶体质量及界面性能均有所改善．适量H2的引入有利于AlN岛的横向生长与合并成膜．H2能与杂质元素反应并携带其散出，减少外延生长过程中的非故意掺杂．

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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.

中图分类号：TN304.2

文献标识码：A

文章编号：1673-9981(2016)01-0010-06

作者简介：杨美娟(1992-)，女，福建省平潭县人，硕士研究生.

*基金项目：国家优秀青年科学家基金(51422203)；广东省杰出青年科学家基金(S2013050013882)；广东省重大科技专项资助项目(2014B010119001)

收稿日期：2015-11-11