CN103022295A - 一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生长在Si衬底上的AlN薄膜，其采用如下制备方法获得：采用Si衬底，选择Si衬底的（111）晶面为晶体取向，先在Si(111)晶面上生长出Al缓冲层，再外延生长AlN薄膜。本发明使用Si为衬底，同时采用脉冲激光沉积生长法在Si（111）衬底上生长AlN薄膜，AlN晶体择优取向生长，获得衬底与AlN之间很低的晶格失配度，极大地提高了AlN晶体的质量，适合应用在光电探测器、LED器件中。

Description

一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用

 

技术领域

本发明涉及AlN薄膜领域，具体涉及一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用。

 

背景技术

AlN是ⅢA族化合物，一般以六方晶系中的纤锌矿结构存在，有许多优异的性能，如高的热传导性、低的热膨胀系数、高的电绝缘性质、高的介质击穿强度、优异的机械强度、优异的化学稳定性和低毒害性、良好的光学性能等。由于AlN 有诸多优异性能，带隙宽、极化强，禁带宽度为6. 2eV，使其在机械、微电子、光学，以及电子元器件、声表面波器件制造、高频宽带通信和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。

目前，AlN的应用主要体现在以下几个方面：压电材料、外延缓冲层材料、发光层材料。一方面，由于AlN材料具有电子漂移饱和速率高、热导率高、介质击穿强度高等优异特性，其在高频、高温、高压电子器件领域有着巨大的潜力，而纤锌矿结构的AlN薄膜具有高速率声波学的压电特性，其表面声学在已知压电材料中最高，并具有较大的机电耦合系数，因此AlN是用于制备高频表面波器件的优选材料。另一方面，由于AlN具有高热导、低热膨胀以及较宽带隙的优点，而且与GaN晶格有较好的匹配，用AlN作为缓冲层可以有效提高GaN、InN外延薄膜的晶体质量，明显改善其电学与光学性能。另外，AlN可以作为蓝光紫外光的发光材料，如果进行掺杂或者制作复合膜，发光光谱将覆盖整个可见光区域。

AlN薄膜必须具有较高的结晶质量，才能满足以上多方面的应用。目前常用于制备AlN薄膜的方法有化学气相沉积法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法以及分子束外延法等。然而，绝大多数的制备方法要求将衬底加热到较高的温度，但较高的温度可能会导致衬底材料的损伤，这是AlN薄膜制备的一大难题。并且，要达到生长高质量AlN晶体的要求，则需要复杂的设备仪器，造价昂贵，且单个薄膜的生长速度较慢，单个样品的成本过高。

 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法，其通过选用合适的衬底及晶体方向以及工艺参数的控制，获得高质量的AlN薄膜，并降低了制备成本。

本发明的另一目的在于提供上述AlN薄膜的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生长在Si衬底上的AlN薄膜，其采用如下制备方法获得：采用Si衬底，选择Si衬底的（111）晶面为晶体取向，先在Si(111)晶面上生长出Al缓冲层，再外延生长AlN薄膜。不同衬底上生长AlN薄膜，其性能不同，但各类衬底材料与AlN晶体间的晶格失配是影响薄膜生长质量的重要因素。在Si衬底上沉积AlN薄膜可以将其光电特性实用化、集成化。在Si(111)晶面上的Si原子具有类六角结构排列，适合直接生长AlN薄膜。

优选地，在生长Al缓冲层之前，对衬底依次进行表面抛光、清洗、退火的前处理步骤。

表面抛光的具体方法是：将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，用光学显微镜观察衬底表面没有划痕后，采用现有技术的化学机械抛光法对衬底进行抛光处理。

清洗步骤的具体方法是：将Si衬底先放在丙酮溶液中超声清洗，然后再放在去离子水中超声清洗；接着在异丙酮溶液中超声清洗；然后在氢氟酸溶液中超声清洗，再在去离子水中浸泡；再将Si衬底放在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡；最后将Si衬底放入氢氟酸中浸泡，用去离子水冲洗，氮气吹干，放入氮气柜内。

退火的具体方法是：将Si衬底放在超高真空的生长室内，在900－1000℃下烘烤3－5h去除表面的污染物，然后空冷至室温。通过以上的退火处理后，可使衬底获得原子级平整的表面，有利于生长高质量AlN薄膜。

采用分子束外延生长法生长Al缓冲层，衬底的温度为500－600℃，真空度为10^-10Torr以上。

采用脉冲激光沉积生长法外延生长AlN薄膜，衬底温度为650－750℃，反应室压力为10－15mTorr、V/III比为50－60、生长速度为0.4－0.6 ML/s。

采用分子束外延生长法与脉冲激光沉积生长法相结合，先利用分子束外延生长Al缓冲层，再利用脉冲激光沉积外延生长法生长AlN薄膜，能够提高外延生长的效率，根据基材的特性择优选择外延方法，有利于外延层的质量的提高。另外，AlN薄膜与Si衬底之间的晶格失配度高达19%，热膨胀系数相差44%，还存在界面扩散等问题，导致直接在Si衬底上生长的AlN薄膜晶体的质量较差、缺陷密度高，从而降低了AlN薄膜基器件的发光效率，难以达到光电器件的要求。而通过降低生长温度，有效抑制了传统金属有机化学气相沉积工艺（MOCVD）生长氮化物的高温条件（一般都在1000℃以上）对衬底与AlN晶格失配度和热膨胀系数失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低，提高了AlN薄膜的品质。此外，工艺参数及氧含量等因素均会影响获得的AlN晶体的质量，当氧含量较高时，氧极易和铝反应，生成氧化物进入AlN薄膜的晶格结构中形成缺陷，从而降低了AlN基器件的发光效率。为了减小氧对薄膜结构的影响，采取上述的工艺参数，控制真空度、反应室所压、排气时间等，能够获得高质量的AlN薄膜。

优选地，Al缓冲层的厚度为3－5nm。可以通过RHEED检测，控制该层的生长情况。

本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜可以应用在光电探测器、LED器件中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、使用Si为衬底，同时采用脉冲激光沉积生长法在Si（111）晶面上生长AlN薄膜，AlN晶体择优取向生长，获得衬底与AlN之间很低的晶格失配度，极大地提高了AlN晶体的质量。

2、采用了脉冲激光沉积生长法生长AlN薄膜，既为低温生长AlN提供基础，又可有效缩短氮化物的形核时间，保证所获得的AlN薄膜的单一性。

3、采用分子束外延生长法与脉冲激光沉积外延生长法相结合，先利用分子束外延技术生长Al缓冲层，再利用脉冲激光沉积外延技术生长AlN薄膜，提高了外延生长的效率，根据基材的特性择优选择外延方法，有利于外延层质量的提高。同时，通过降低生长温度，有效抑制了传统金属有机化学气相沉积工艺（MOCVD）生长氮化物的高温条件（一般都在1000oC以上）对衬底与AlN的晶格失配度和热膨胀系数失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低。

4、Si作为衬底，容易获得，价格便宜，且采用了低温生长技术，有利于降低生产成本。

综上所述，本发明的制备工艺独特而易行，生产成本低，获得的AlN薄膜具有缺陷密度低、晶体质量高、电学和光学性质优异的优点。

 

附图说明

图1为本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜的结构示意图；

图2为本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜的X射线面扫描图谱；

图3为本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜的（002）面X射线回摆曲线图；

图4为本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜的GIXR图谱；

图5为本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜应用在LED器件中的示意图；

图6为本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜应用在光电探测器中的示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例子对本发明作进一步详细说明。

实施例1

请参照图1，本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜包括Si衬底层11、生长在Si衬底层11上的AlN薄膜层12。所述AlN薄膜层12为单晶薄膜层或多晶薄膜层。

该生长在Si衬底上的AlN薄膜采用如下方法制得：

（1）             衬底及晶向的选择：选取Si衬底，同时选取Si衬底的（111）晶面。

（2）             采用分子束外延生长法，在Si衬底上生长Al缓冲层，工艺条件为：

衬底温度为500－600℃，真空度为10^-10Torr以上，生长速度为0.6nm/min，生长Al缓冲层厚度为3－5nm，通过RHEED检测、控制生长情况。

（3）             通入氮的等离子体对Al缓冲层进行氮化。

（4）             采用脉冲激光沉积生长法生长AlN薄膜，工艺条件为：衬底温度为

650－750℃，反应室压力为10－15mTorr、V/III比为50－60、生长速度为0.4－0.6 ML/s。具体是：用能力为2.0－3.0 J/cm2以及重复频率为20－25Hz的KrF准分子激光（λ=248nm，t=20ns）PLD烧蚀AlN靶材，在沉积AlN薄膜时，生长室内压力N2保持在10－15mTorr，保证获得高质量的AlN薄膜。

（5）保温25－35分钟，温度为650－750℃。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行改行的，不同之处在于：在生长AlN缓冲层之前，对衬底依次进行表面抛光、清洗、退火的前处理步骤，具体方法如下：

表面抛光处理：将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，用光学显微镜观察衬底表面没有划痕后，再采用现有技术的化学机械抛光方法对衬底进行抛光处理。

清洗：将装有Si片的卡槽放入洗净的方樽中，加入去离子水和已配好的丙酮直至溶液完全浸没Si片，超声5－10分钟；将方樽放入超声槽内，加入去离子水直至水的液面略低于方樽，进行超声清洗5－10分钟，超声波功率为60－80瓦；将超声后的方樽取出，用去离子水清洗2－3遍，直至将丙酮洗净；向方樽里注入IPA溶液，超声5－10分钟；将方樽放入超声槽内，加入IPA直至溶液的液面略低于方樽，进行超声清洗5－10分钟，超声波功率为60－80瓦；将超声后的方樽取出，用去IPA溶液清洗2－3遍；向方樽里加入去离子水，直至浸没Si片，再将其放入超声槽内清洗5－10分钟；取出方樽，再取出方樽里的卡槽，向方樽里注入氢氟酸和水直至其液面高度略小于或等于Si片的直径；用聚四氟乙烯的夹子将Si片立于方樽内，将Si片从氢氟酸溶液中取出，放入去离子水中浸泡1－2分钟；配制浓硫酸：双氧水=4:1的溶液于方樽中，加入等量的去离子水，将Si片从氢氟酸中取出并放入硫酸双氧水中5－7分钟；再次将Si片放入氢氟酸中1－2分钟，电子级氢氟酸：水=1:10；用去离子水冲洗，氮气吹干，放入氮气柜。  

退火：将衬底放在压强为2×10^－10Torr的超高真空的生长室内，在900－1000℃下高温烘烤3－5 h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至室温。

请参照图2，从X射线面扫描图谱中可以看到，AlN薄膜成功在Si衬底行外延生长，外延关系为：AlN(002)//Si(111)。

请参照图3，从X射线回摆典线图中可以看到，AlN(002)薄膜的半峰宽（FWHM）值低于0.1°，由此计算可知，其缺陷密度低于2×10⁸cm^-2，表明在Si(111)面上外延生长出了低缺陷密度的高质量AlN薄膜。

请参照图4， X射线掠入角（GIXR）测试表明AlN/Si的异质节是原子级突变的，为生长高质量AlN薄膜提供保证。

综上所述，无论是在缺陷密度，还是在结晶质量方面，采用分子束外延生长法与脉冲激光沉积外延生长法相结合在Si衬底上获得的AlN薄膜具有优异性能，优于目前已经报道的应用传统衬底获得的AlN薄膜的相关结果。

实施例3 本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜在LED器件中的应用

请参照图5，将实施例2获得的AlN薄膜应用到LED器件中的方法，其包括在Si (111)晶面上外延生长高质量AlN薄膜，形成AlN薄膜10后，依次生长高质量的U-GaN薄膜层11，n型掺硅GaN 外延层12, In_xGa_1-xN多量子阱层 13，p型掺镁GaN层 14，具体如下：

在AlN薄膜10上生长高质量的U-GaN薄膜层11；再在U-GaN薄膜层11 上生长n型掺硅GaN外延层12, 其厚度约为 5 μm,其载流子的浓度为 1 ×10¹⁹cm^- 3。接着生长In_xGa_1-xN多量子阱层 13, 厚度约为112 nm, 周期数为7，其中In_xGa_1-xN阱层为3 nm，垒层为13 nm，0＜x＜1。 之后再生长Mg掺杂的p型掺镁GaN层14, 厚度约为350 nm，其载流子浓度为2 ×10¹⁶cm^- 3。最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在N₂气氛下退火,提高了p型掺镁GaN层14的载流子浓度和迁移率。

实施例4本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜在光电探测器中的应用

  请参照图6，将实施例2获得的AlN薄膜应用到光电探测器的方法，其中包括Si (111) 晶面上外延生长高质量AlN薄膜，形成AlN薄膜20后，依次生长高质量的U-GaN薄膜层21，n型掺硅GaN 外延层22, 非掺杂GaN层 23，p型掺镁GaN层 24。

在AlN薄膜20上生长U-GaN薄膜层21，其厚度约为300nm；在U-GaN薄膜层21 上生长n型掺硅GaN外延层22, 其厚度约为3 μm,其载流子的浓度为1 ×10¹⁹cm^- 3。接着生长非掺杂GaN 外延层23, 厚度约为200 nm, 其载流子浓度为2. 2 ×10¹⁶cm^- 3。之后再生长Mg掺杂的p型掺镁GaN层24, 厚度约为1. 5 μm。最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。在此基础上通过在N₂气氛下退火,提高了p型掺镁GaN层24的载流子浓度和迁移率。所制备的p -i -n 结构的GaN 紫外光电探测器在1 V偏压下, 暗电流仅为65 pA,并且器件在1 V偏压下,在361 nm处响应度的最大值达到了0. 92 A/W。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明的保护范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于：采用Si衬底，选择Si衬底的（111）晶面为晶体取向，先在Si(111)晶面上生长出Al缓冲层，再外延生长AlN薄膜。

2.如权利要求1所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于：在生长Al缓冲层之前，对衬底依次进行表面抛光、清洗、退火的前处理步骤。

3.如权利要求2所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，表面抛光的具体方法是：将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，用光学显微镜观察衬底表面没有划痕后，采用现有技术的化学机械抛光法对衬底进行抛光处理。

4.如权利要求2所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，清洗步骤的具体方法是：将Si衬底先放在丙酮溶液中超声清洗，然后再放在去离子水中超声清洗；接着在异丙酮溶液中超声清洗；然后在氢氟酸溶液中超声清洗，再在去离子水中浸泡；再将Si衬底放在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡；最后将Si衬底放入氢氟酸中浸泡，用去离子水冲洗，氮气吹干，放入氮气柜内。

5.如权利要求2所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，退火的具体方法是：将Si衬底放在超高真空的生长室内，在900－1000℃下烘烤3－5h去除表面的污染物，然后空冷至室温。

6.如权利要求1所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于：采用分子束外延生长法生长Al缓冲层，衬底的温度为500－600℃，真空度为10^-10Torr以上。

7.如权利要求1所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于：采用脉冲激光沉积生长法外延生长AlN薄膜，衬底温度为650－750℃，反应室压力为10－15mTorr、V/III比为50－60、生长速度为0.4－0.6 ML/s。

8.如权利要求1所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于：Al缓冲层的厚度为3－5nm。

9.一种生长在Si衬底上的AlN薄膜，其特征在于：采用权利要求1至8任意一项所述的制备方法获得。

10.权利要求9所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜在制备光电探测器、LED器件中的应用。

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