AlN/蓝宝石模板上与GaN近晶格匹配InAlN薄膜的研究*

张 康，张 娜, 张志清，刘宁炀，王君君，赵 维，范广涵，陈志涛，江川孝志

1.广东省工业技术研究院(广州有色院金属研究院)，广东 广州 510650；2.日本名古屋工业大学纳米器件与系统研究中心，名古屋市 4660061

三族氮化物材料GaN，InN，AlN及其合金体系，被广泛应用于光电子器件和功率电子器件领域中，如发光二极管(LED)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等[1-2].当InAlN中In的摩尔分数接近0.18时，可实现与GaN面晶格常数匹配[3]，从而有望获得高质量的InAlN/GaN异质结材料.此外，InAlN还具有宽禁带和高折射率等优点[4-5]，这些特征使其在应用中具有优势.然而，由于In-N和Al-N化合键的键能等性质差异大，使得高质量InAlN材料的生长窗口小、难度大，近年来随着材料生长技术的不断进步，InAlN的生长已取得突破性进展[6].基于In0.18Al0.82N/GaN的多种高性能光电器件和电子器件性能的进一步提升依赖于InAlN材料质量的不断提高，因此如何获得高质量InAlN材料，对其器件应用及发展具有重要意义.

本文采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法，在AlN/蓝宝石模板上生长了InAlN薄膜材料，同时对薄膜的性能进行了测试及分析.

1 实验部分

研究的InAlN薄膜试样是在AlN/蓝宝石模板上采用MOCVD方法生长的，实验使用的MOCVD设备为大阳日酸株式会社生产的SR2000系列的MOCVD系统.在材料生长过程中，使用三甲基镓作Ga源、三甲基铝作Al源、三甲基铟作In源、氨气作N源.首先在AlN/蓝宝石模板上先生长一层厚2 μm的GaN薄膜，然后再生长一层厚约100 nm的InAlN薄膜，薄膜生长温度为800 ℃，外延结构如图1所示.

InAlN(100 nm)GaN(2 μm)AlN(1 μm)蓝宝石衬底

图1外延结构示意图

Fig.1Schematic diagram of the epitaxial structure

实验中使用荷兰帕纳科公司生产的Xpert PRO系列X射线衍射仪，对InAlN薄膜试样进行高分辨的X射线衍射(XRD)图谱测试；用扫描电子显微镜(SEM)，分析InAlN薄膜试样的表面；用透射电子显微镜，对InAlN薄膜试样进行X射线能谱面扫描分析(EDX mapping).

2 结果与分析

图2为试样的XRD图，其中图2(a)为试样的XRD(0002)面的2θ-ω扫描曲线，图2(b)为试样的XRD(20-24)面的倒易空间图.从图2(a)可见，有明显的三个峰，分别对应AlN，GaN和InAlN，其中InAlN峰两边有清晰的条纹出现，说明InAlN和GaN材料之间有突变界面[7].从图2(b)可见，竖线为InAlN外延和GaN基板的倒易晶格点(RLP)的连线方向，其平行于纵轴方向，表明InAlN薄膜的晶格常数与GaN基板面的晶格常数是匹配的.

图2 试样的XRD图(a)XRD (0002)的2θ-ω扫描曲线；(b)XRD(20-24)面的倒易空间图Fig.2 XRD pattems of samples(a) XRD (0002) 2θ-ω scan rocking curves；(b) reciprocal space maps around (20-24)

对于六方结构的三族氮化物外延材料来说，XRD摇摆曲线的半峰宽通常用来评价材料的晶体质量，特别是材料的线位错密度，半峰宽值越大，反映位错密度越高，反之亦然[8].图3为InAlN薄膜试样的XRD(002)和(102)面的ω扫描摇摆曲线，其中(002)面的摇摆曲线的半峰宽反映材料的螺位错密度，(102)面的摇摆曲线的半峰宽反映刃位错密度.从图3可见，对称面(002)的摇摆曲线半峰宽为100 ″，非对称面(102)的摇摆曲线半峰宽为248 ″.根据(002)面的ω扫描摇摆曲线，计算出材料的螺位错密度为5.2×106cm-2[9]，表明InAlN薄膜的位错密度低、晶体质量高.

图3 InAlN薄膜的XRD(0002)和(10-12)面ω扫描摇摆曲线

Fig.3XRDω-scans rocking curves around (002) and (102) of InAlN film

图4为InAlN薄膜的表面形貌图.图4(a)为在AlN/蓝宝石模板上生长的与GaN晶格匹配的InAlN薄膜表面的SEM形貌图，从图4(a)可见，在InAlN生长过程中，在材料表面会出现V形坑(图中黑点处).经研究发现[10-11]，V形坑仅与螺位错(混合位错和纯螺位错)相关，一般V形坑都起源于混合位错的顶端，而与纯刃位错无关.通过计算可以得到露头螺位错密度为2.4×106cm-2，其与XRD计算的螺位错密度比较吻合.图4(b)为在传统蓝宝石衬底上生长的与GaN晶格匹配的InAlN薄膜的SEM扫描图.从图4(b)可见，InAlN薄膜表面的螺位错露头数目较AlN/蓝宝石模板生长的InAlN薄膜的明显增多，计算得到的露头螺位错密度为1.0×107cm-2，这表明生长在AlN/蓝宝石模板上的InAlN薄膜的晶体质量比直接在蓝宝石衬底上生长的更好.

图4 InAlN表面形貌图(a)AlN/蓝宝石模板；(b)蓝宝石衬底Fig.4 Surface morphology of InAlN (a)AlN/sapphire template;(b)sapphire substrate

图5为InAlN薄膜的EDX映射图.从图5可见，在Al和In元素的映射图中，箭头指向位置有明显的黑点，这些黑点为薄膜中与位错相关的V形坑位置，在这些坑之外的其余区域，在仪器可探测的范围内没有观察到Al和In元素凝聚的现象.表明，薄膜中这两种元素分布均匀.

图5 InAlN薄膜Al元素和In元素的EDX映射图

3 结 论

采用MOCVD方法在AlN/蓝宝石模板上生长了InAlN/GaN薄膜.结果表明：InAlN薄膜的晶格常数与GaN面的晶格常数相匹配；InAlN(002)和(102)面的XRD摇摆曲线的半峰宽分别低达100″和248″，表明InAlN薄膜的位错密度低、晶体质量高；EDX映射结果显示，在薄膜中Al和In元素分布均匀.

参考文献：

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