AlN/蓝宝石模板上生长的Al0.6Ga0.4N薄膜结构与光学性能研究*

王君君，刘宁炀，张 康，张志清，赵 维，范广涵，张 娜，陈志涛

广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)，广东 广州 510650

AlGaN材料可广泛应用于紫外光电子器件及高频、高功率、耐高温电子器件，因而受到极大的关注[1-2].近年来，人们对AlGaN基器件的研究取得了很大进展[3-6]，突出表现在AlN/蓝宝石模板上生长AlGaN材料及其质量改进.AlGaN基器件性能的进一步提高依赖于对AlGaN材料特性的深入研究.由于Al-N键和Ga-N键特性的差异，Al摩尔组分对AlGaN的质量有重大影响，并将影响材料的光、电、热等其它性能.对不同Al摩尔组分的AlGaN性能的研究已有诸多报道，P. Chen等人报道了在AlGaN/GaN(Al摩尔组分为0.23和0.4)异质结生长过程中有岛状结构形成，并解释了这种岛状结构可能是由于材料表面原子迁移率不同而形成的[7].Sun Q等人用阴极荧光方法研究发现，在Al0.25Ga0.75N薄膜生长方向上Al的分布相对均匀，而横向则发生相分离[8].Pinos A等人通过室温扫描近场PL光谱测量了AlN摩尔组分从0.3到0.5变化的AlGaN外延膜的势能起伏[9].然而，更高Al组分的AlGaN薄膜性能的报道还很少见.本文采用高分辨XRD和低温阴极荧光表征方法研究了Al0.6Ga0.4N薄膜的结构性能及光学性能.

1 实验部分

本实验的样品是采用金属有机物气相沉积法(MOCVD)在AlN/蓝宝石模板上生长Al0.6Ga0.4N薄膜.膜的生长温度为1050 ℃，生长压力为5×103Pa,三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)及氨气分别作为Ga源、Al源和N源.高纯氢气为载气，稀释的硅烷(SiH4)为n型掺杂剂.首先在AlN/蓝宝石模板上沉积一层0.5 μm厚非掺杂的AlGaN薄膜，然后再生长1.0 μm掺硅的AlGaN薄膜.在沉积过程中，保持AlGaN中Al组分不变，当SiH4流量分别为0，0.1，0.5，0.7，1.0 L/min时，生长得到的样品分别命名为样品A，B，C，D，E.A～E 5个AlGaN薄膜样品的膜厚均为1.5 μm.实验中还制备了样品F作为对比，F是在AlN/蓝宝石模板上只生长0.5 μm的AlGaN膜，不生长厚1.0 μm掺硅的AlGaN膜.

采用Bruker公司生产的D8型高分辨率X射线衍射仪，对所制备的样品进行ω-2θ扫描以研究其结构性能，该衍射仪的X射线为Cu的Kα线，其波长值λ=1.05×10-6m.通过配有CL设备的扫描电镜，在10 K温度下对样品的表面形貌及光学特性进行测试.

2 实验结果与讨论

2.1 XRD测试结果

图1为A，B，C，D，E五个样品的XRD测试结果.由图1可知，五条谱线均出现了AlGaN和AlN的峰，且每条谱线出现了三个AlGaN的峰.图2为从5个样品XRD扫描结果中截取的存在三个AlGaN峰的谱图.通过AlN和GaN晶格常数线性插值计算得到，样品中Al组分大约为60%.当SiH4流量从0到1 L/min变化，AlGaN峰的位置呈S形变化，这可能是由于多种机制共同作用的结果，如Si原子对AlGaN晶格产生的影响，以及在外延生长过程中不同Si掺杂水平对应力所起的调控作用[10-12].确切的影响机制需进一步研究.

图1 样品A，B，C，D，E的XRD ω-2θ扫描图谱

图2 样品XRD ω-2θ扫描图谱(AlGaN峰)

每个样品出现了三个AlGaN的峰.为找出三个峰的来源，将样品D和样品F的XRD扫描结果进行对比，如图3所示.由图3可知，样品F只出现一个AlGaN峰，角度为35.34°，与其他五个样品中第一个AlGaN峰的位置相近.因此，我们可得出，峰1来源于样品中下面厚0.5 μm非掺杂的AlGaN层，而峰2和峰3来源于上面厚1.0 μm掺Si的AlGaN层.

图3 样品D和F的XRD扫描结果对比图

Fig.3Comparison of XRD results between sample D and sample F

2.2 阴极荧光测试结果

为进一步研究相分离现象(峰2和峰3)，采用阴极荧光方法对样品的光学性能进行研究.图4为样品B的阴极荧光图谱及拟合结果.从图4可发现有两个相差4 nm的发射峰(252 nm和256 nm)，证明上一层掺Si的AlGaN膜确实有两个相存在.此现象与XRD结果相吻合.

图4 在10 K下，样品阴极荧光谱图及拟合结果

图5为样品A，B，C，E在温度为10 K时的单色阴极荧光图像.由图5可知，样品A,B,C,E均未出现裂纹，4个样品都出现双波长发射(各发射波长见图5).这再一次证明峰2和峰3来自上一层的AlGaN膜，即AlGaN膜中出现了相分离现象.材料中产生相分离的原因可能包括生长过程中应力变化、位错、富Al晶粒的形成等[13].1.5 μm厚非掺杂的样品A出现相分离现象(产生峰2和峰3)，而0.5 μm厚非掺杂的样品F则未发生相分离，说明相分离的产生与膜的厚度有关.1.5 μm厚掺Si样品B～E均出现相分离现象，排除了Si掺杂是引起相分离的原因.由此可见，厚膜中的应力弛豫促使薄膜发生相分离.另外，由于Al原子的表面迁移率很低，不同原子间的表面迁移率差异导致样品表面发生聚集.因此，本文将相分离的产生归因于厚膜中的应力弛豫及Al原子低的表面迁移率.

图5 样品在10K下的单色阴极荧光图像

Fig.5Monochromatic CL images of sample A taken at (a) λ=247 nm and (b) λ= 251 nm; sample B at (c) λ=252 nm,(d) λ=256 nm; sample C at (e) λ=251 nm and (f) λ= 255 nm; sample E at (g) λ=251 nm and (h) λ=255 nm.

3 结 论

采用MOCVD法在AlN/蓝宝石模板上生长的Al0.6Ga0.4N膜，通过高分辨XRD及阴极荧光测试表明Al0.6Ga0.4N膜出现了相分离现象，其原因为厚膜中的应力弛豫及Al原子低的表面迁移率.

参考文献：

[1] YOSHIDA H,KUWABARA M,YAMASHITA Y,et al.AlGaN-based laser diodes for the short-wavelength ultraviolet region[J].New J Phys,2009,11:125013.

[2] AHMAD I,KRISHNAN B,ZHANG B,et al.Dislocation reduction in high Al-content AlGaN films for deep ultraviolet light emitting diodes[J]. Phys. Status Solidi A,2011,208:1501-1503.

[3] ZEIMER U,KUELLER V,KNAUERA A, et al. High quality AlGaN grown on ELO AlN/sapphire templates[J]. J Cryst Growth,2013,377:32.

[4] KIM M，FUJITA T，FUKAHORI S，et al.AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes fabricated on patterned sapphire substrates[J].Appl Phys Express，2011，4:092102-092102-3.

[5] PENG D,YAN J C,WANG J X,et al.282-nm AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes with improved performance on nano-patterned sapphire substrates[J]. Appl Phys Lett,2013,102:241113-241116.

[6] TSUBASA N,KENICHIRO T,HIROSHI S,et al.Combination of Indium-Tin Oxide and SiO2/AlN dielectric multilayer reflective electrodes for ultraviolet-light-emitting diodes[J]. Jpn J Appl Phys,2013,52:08JG07-08JG07-3.

[7] CHEN P,CHUA S J,MIAO Z L.Phase separation in AlGaN/GaN heterojunction grown by metalorganic chemical vapor deposition[J]. J Cryst Growth,2004,273:74-78.

[8] SUN Q,HUANG Y,WANG H,et al.Lateral phase separation in AlGaN grown on GaN with a high-temperature AlN interlayer[J].Appl Phys Lett,2005,87:121914.

[9] PINOS A，LIUOLIA V，MARCINKEVICIUS S, et al.Localization potentials in AlGaN epitaxial films studied by scanning nearfield[J].J Appl Phys,2011,109:113516.

[10] FENG Lei，HAN Jun，XING Yan-hui，et al.Optimized growth and composition investigation of AlGaN materials with high Al composition[J]. J. Optoelec.Laser 2012,23,9.

[11] CANTU P, WU F, WALTEREIT P, et al. Si doping effect on strain reduction in compressively strained Al0.49Ga0.51N thin films[J]. Appl Phys Lett,2003,83:674.

[12] XIE J Q，MITA S，RICE A，et al.Strain in Si doped GaN and the fermi level effect[J]. Appl Phys Lett,2011,98:202101-202101-3.

[13]KHAN M,SHATALOV M,MARUSKA H, et al. Investigation of the Heterogeneous decomposition of ammonia in an inverted, stagnation-point flow reactor[J]. Jpn J Appl Phys:Part 1,2005,44:7191-7206.