氮化铝铟薄膜的成长方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种薄膜的成长方法，特别是一种氮化铝铟薄膜的成长方法。
【背景技术】
[0002]氮化铝铟(AlInN或InAlN)为本质n-type半导体，其能隙可根据不同的化学组成而调变，范围由0.7eV至6.2eV。由于所涵盖的能隙范围十分宽广，故可应用于高功率与高频元件、发光二极体(LED)或是全光域的半导体太阳能电池。对于富铝(Al-rich)的AlInN，当In的组成为17%?18%时，由于其与GaN的晶格完全匹配，无压电极化效应，只有自发极化效应，因此被视为发展HEMT (high electron mobility transistor)及MOSFET (metal - oxide - semiconductor field-effect transistor)等兀件的高潜力新兴半导体材料。至于富In(In-rich)的AlInN，因其具有低能隙及高光吸收率，在太阳能电池应用极具潜力。另一方面，AlInN也可与InN或InGaN搭配形成多重量子井(MQWs)结构而应用在光电元件中。
[0003]虽然AlInN的应用层面广泛，但在制备上却相当不容易。AlInN为InN与AlN所构成的三元合金(ternary alloy),该三元材料制备的困难度在于,一般需在高温条件下成长A1N，温度约在1000°C?1200°C;InN则需在低于600°C的条件下成长，否则InN会容易产生热分解。由于两者的工艺温度差异甚大，因此在单一温度条件下不易成长出兼具单相及高品质的三兀合金材料。例如，于成长AlInN时，为了得到AlN而米用较高温的工艺,却会导致InN的不稳定，使得三元III族氮化物的组成不易获得精确稳定的控制，影响薄膜的外延品质。
[0004]目前用来成长III族氮化物的基板以硅、碳化硅以及蓝宝石基板为主，其中，硅单晶基板因为价格、尺寸与品质等方面的优势，因此许多相关产业与研究单位纷纷投入研究及发展，并且具有少量成果。不过，为了能有效改善因材料晶格不匹配与热膨胀差异等所造成的外延品质劣化问题，通常于使用上述三种基板时，需要在基板上先成长缓冲层，以利于成长高品质的氮化物薄膜。例如，在硅基板上成长氮化镓(GaN)或氮化铝铟(AlInN)等III族氮化物薄膜之前，常以AlN作为缓冲层，但此法会使得工艺复杂并且增加成本;A1N缓冲层也会带来额外的电绝缘问题，局限了其相关产品的发展与普及性。
[0005]若能在不需要缓冲层的情况下，直接成长AlInN薄膜，使得基板与AlInN薄膜间具有良好的晶格匹配性及热稳定性，将大幅拓展AlInN的应用层面。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种氮化铝铟薄膜的成长方法。经由动态调整反应气体的流量，使得氮化铝铟层直接成长在硅基板上，可得到良好品质的氮化铝铟薄膜。除了提高晶格匹配性，降低残留应力，避免回熔蚀刻的现象，还简化了工艺且降低成本。
[0007]根据本发明的一实施例，一种氮化铝铟薄膜的成长方法，包含下列步骤:设置一硅基板于一反应腔体中；提供多个反应气体于反应腔体中，其中多个反应气体包含铝前驱物、铟前驱物以及含氮气体；动态调整多个反应气体的流量并经由一晶体成长步骤直接形成一氮化铝铟层于硅基板上。
[0008]以下经由具体实施例配合所附的附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
【附图说明】
[0009]图1为本发明一实施例的氮化铝铟薄膜的成长方法的系统示意图。
[0010]图2为本发明一实施例的氮化铝铟薄膜的成长方法的流程示意图。
[0011]图3为本发明一实施例的氮化铝铟薄膜成长在硅基板上的结构示意图。
[0012]图4为本发明一实施例的动态调整前驱物流量的流量对时间示意图。
[0013]图5为本发明另一实施例的动态调整如驱物流量的流量对时间不意图。
[0014]图6A及6B为根据实施例一的方法成长Al InN薄膜后的表面与横截面SEM影像图。
[0015]图7A及7B为根据实施例一的方法成长AlInN薄膜后，经由X光绕射(XRD)的2 Θ -scan 及 AlInN(10-11)的 Ph1-scan 分析结果。
[0016]图8A及8B为根据实施例二的方法成长AlInN薄膜后，经由X光绕射(XRD)的2 Θ -scan 及 AlInN(10-11)的 Ph1-scan 分析结果。
[0017]图9A及9B为根据实施例三的方法成长AlInN薄膜后，经由X光绕射(XRD)的
2Θ -scan 及 AlInN(10-11)的 Ph1-scan 分析结果。
【具体实施方式】
[0018]请先参考图1及图2，其为本发明一实施例的氮化铝铟薄膜的成长方法的系统以及流程示意图。首先，设置一硅基板10于一反应腔体20中(步骤SI)。接着，以一气体源30，提供多个反应气体于反应腔体20中(步骤S2)，气体源30可包含多个气瓶，反应气体包含铝前驱物、铟前驱物以及含氮气体。过程中，可经由流量控制器40(包含控制主机以及质量流量计等等)，动态调整多个反应气体的流量并经由一晶体成长步骤直接形成一氮化铝铟层于硅基板10上(步骤S3)，晶体成长步骤可为一外延生长步骤。成长出来的结构如图3所示，包含硅基板10以及氮化铝铟层50，其中硅基板10与氮化铝铟层50之间并无缓冲层，而是直接成长。晶体成长步骤可以由有机金属化学气相沉积法(Metal-organic ChemicalVapor Deposit1n, MOCVD ;Metal_organic Vapor-Phase Epitaxy, MOVPE)或分子束外延法(Molecular beam epitaxy, MBE)。于一实施例中，娃基板可为一单晶娃基板或一多晶娃基板。另外，硅基板可以是(100)面向的硅基板、(111)面向的硅基板或是(110)面向的硅基板。最后硅基板10上得到的氮化铝铟层50主要为外延薄膜，也可为其他单晶或多晶的薄膜。
[0019]工艺中，关于动态调整多个反应气体的流量的方法主要为渐变流量调整法以及脉冲气流法。渐变流量调整法的步骤为:调整流量使得铝前驱物的流量比例高于铟前驱物的流量比例，并使铝前驱物以及铟前驱物充分接触硅基板，使得反应得以均匀进行。然后提供含氮气体以开始晶体成长步骤。反应一段时间以后，再逐渐增加铟前驱物的流量比例，最后使得铟前驱物的流量比例高于铝前驱物的流量比例，并且持续反应直到氮化铝铟成长至所需厚度。过程中，反应腔体的反应气体会由富铝(Al-rich)的状态逐渐转变为富铟(In-rich)的状态，例如图4所示，图4为前驱物的流量关系示意图。铝前驱物的流量从一开始的C2持续一段时间后，逐渐下降至Cl ;铟前驱物则是从一开始的Cl持续一段时间后逐渐上升至C2。须注意者，图4仅用以说明及参考，并非用以限制本发明，其中流量上升或下降的趋势可为线性或非线性，前驱物的起始流量及最终流量也可根据不同需求而各自调整不限于Cl及C2。脉冲气流法的方式则是:以一脉冲周期提供铝前驱物以及铟前驱物，其中在脉冲周期内，铝前驱物与铟前驱物的流量控制为同时开启同时停止，也就是说，先同时通入铝前驱物以及铟前驱物一段时间，且铝前驱物及铟前驱物具有一流量比，再同时停止通入一段时间，形成一脉冲周期。并在提供前驱物的同时，提供含氮气体以进行一晶体成长步骤，重复上述循环直到薄膜达到所需的厚度为止。如图5所示，图5为前驱物的流量关系示意图。铟前驱物的起始流量为C3,招前驱物的起始流量为C4,两者具有一固定流量比，并且以脉冲周期Tc持续供应气体，直到薄膜达到所需厚度。须注意者，图5仅用以说明及参考，并非用以限制本发明，其中前驱物的流量C3及C4以及流量比可根据不同需求而各自调整；在一脉冲周期Tc中，通入以及停止通入气体的时间也不一定要相同。
[0020]根据上述的动态调整气体流量的方式，可提供适当的气体浓度以及反应位置，因此成长薄膜可在低温下进行，避免了高温下容易产生非晶氮化硅以及氮化物相分离的问题；同时，较低温下，可稳定维持AlInN的成分组成以及薄膜结构，提升薄膜品质。于一实施例中，晶体成长步骤的工艺温度为400°C至700°C，远低于传统的900°C至1200°C。
[0021]根据本发明直接在硅基板上成长AlInN的方法具有数个好处，首先，由于可直接成长AlInN薄膜，毋须额外成长缓冲层(如AlN、GaN)，因此省略了复杂的工艺并节省成本。也避免了缓冲层与AlInN之间所产生的结构缺陷。并且，由于AlN具有高电绝缘性，省略了AlN缓冲层则可拓展电性上的设计。
[0022]另外，相较于使用AlN做为缓冲层，本案直接成长Al InN可以提高与硅基板之间的晶格匹配性。例如，常用的Si (111)基板，晶格常数为0.384nm，而wurtzite结构的AlN的a轴晶格常数为0.3112nm，其与Si(Ill)的晶格失配性(lattice mismatch)高达23.5%。而InN的a轴晶格常数为0.3538nm，较接近Si (111)的晶格常数。因此，若省略AlN缓冲层并直接成长三元的AlInN层，与Si(Ill)基板之间会具有更佳的晶格匹配性。
[0023]再者，本发明Al InN的成长方法还可以降低残留热应力。所谓的热应力效应，是指在基材上成长薄膜的时候，由于基材与薄膜的材料具有膨胀系数差，于是在升温或降温的时候，会因为膨胀程度的不同产生应力集中的现象。若是热应力过大，会造成薄膜破裂、剥离或翘曲等现象。AIN、GaN与硅基板的热膨胀系数差异较大，而InN与硅基板的热膨胀系数差异较少