CN109119327A - 在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法，包括：在纳米图形化蓝宝石衬底的表面沉积石墨烯层；对所述石墨烯层进行等离子体处理；以及在经处理后的所述石墨烯层上外延生长氮化铝层。本发明利用石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底作为氮化铝外延生长的衬底，并对石墨烯层进行等离子体处理，借助于石墨烯作为缓冲层，利用范德华外延的性质，可降低晶格失配和热失配导致的高应力与高位错密度，从而有效提升外延氮化铝薄膜的质量。

Description

在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法
技术领域
本发明涉及材料领域，特别涉及一种在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法。
背景技术
氮化铝(AlN)是一种具有宽直接带隙的Ⅲ-Ⅴ半导体，具有高热导率、高机械强度、高化学稳定性和强抗辐照能力等性质，在光电子、高温大功率器件和高频宽带通讯器件应用方面有着广阔的前景。纳米图形化蓝宝石衬底是一种新型氮化物外延衬底，可提高光提取效率。
氮化铝薄膜是紫外LED的核心基础材料，但氮化铝和纳米图形化蓝宝石外延衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，导致外延生长的氮化铝薄膜质量很差。而且，铝原子、氮原子迁移速率在图形化衬底上要远低于平面蓝宝石衬底，通过改变压强、气流等方式，难以得到平整氮化铝薄膜。因此，如何有效缓冲氮化铝和蓝宝石外延衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，增加铝原子、氮原子迁移速率，从而提升氮化铝薄膜的质量，对提升紫外LED的性能具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法，有效缓冲氮化铝和蓝宝石外延衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，增加铝原子、氮原子迁移速率。
为实现上述目的，本发明所采用的方案为：
在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法，包括：
在纳米图形化蓝宝石衬底的表面沉积石墨烯层；
对所述石墨烯层进行等离子体处理；以及
在经处理后的所述石墨烯层上外延生长氮化铝层。
在一些实施例中，所述等离子体处理采用氮等离子体进行。
在一些实施例中，所述等离子体处理的功率为10-200W。
在一些实施例中，所述等离子体处理的流量为10-500sccm。
在一些实施例中，所述等离子体处理的时间为10s-60s。
在一些实施例中，所述等离子体处理的压强为100-1000Pa。
在一些实施例中，所述氮化铝层的表面粗糙度为0.2-1nm。
在一些实施例中，所述氮化铝层通过金属有机化学气相沉积、氢化物气相外延、溅射或者分子束外延而形成。
本发明利用石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底作为氮化铝外延生长的衬底，并对石墨烯层进行等离子体处理，借助于石墨烯作为缓冲层，利用范德华外延的性质，降低晶格失配和热失配导致的高应力与高位错密度，从而有效提升外延氮化铝薄膜的质量。本发明制备方法简单，普适性高，适合工业批量生产。
附图说明
图1A是在传统纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的扫描电子显微镜图；
图1B是在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的扫描电子显微镜图；
图2是在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的原子力显微镜图；
图3A是在传统纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的X射线衍射摇摆曲线；
图3B是在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的X射线衍射摇摆曲线；
图4是在传统纳米图形化蓝宝石衬底和石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的拉曼测试图。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
本发明的在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法，首先是在纳米图形化蓝宝石衬底的表面沉积石墨烯层，得到石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底。
沉积石墨烯层的方法可为化学气相沉积法，其步骤可包括：将纳米图形化蓝宝石衬底置于反应腔体中，氧气气氛下升温至反应温度(例如1000-1200℃)，并此条件下退火预处理4h，之后关闭氧气，利用惰性气体将体系内氧气排尽，通入氢气和碳源进行石墨烯的化学气相沉积反应，从而将石墨烯层沉积在纳米图形化蓝宝石衬底上。
纳米图形化蓝宝石衬底具有特定的纳米图形，例如锥状、平台状、凹洞状等。石墨烯层可包括一层或多层石墨烯，例如1-3层石墨烯。
沉积石墨烯层后需对石墨烯层进行等离子体处理，以使其与后续生长的氮化铝层形成良好的匹配效果。
等离子体处理可为氮等离子体处理，其中氮气流量为10-500sccm，功率为10-200w，时间为10-60s，压强为100-1000Pa。
经等离子体处理后，在石墨烯层上外延生长氮化铝层，所得氮化铝层的表面粗糙度为0.2-1nm，足以满足后续工艺的平整要求。生长氮化铝层的方法可为金属有机化学气相沉积、氢化物气相外延、溅射或者分子束外延等。
以下通过实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例
如无特殊说明，下述实施例中所使用的实验方法均为常规方法。
如无特殊说明，下述实施例中所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。
实施例1在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝薄膜。
1)在纳米图形化蓝宝石衬底的表面沉积石墨烯层。
将纳米图形化蓝宝石衬底置于反应腔体中，在300sccm氧气气氛下升温至1100℃，并此条件下退火预处理4h，之后关闭氧气，利用氩气将体系内氧气排尽，保持流量为500sccm,通入200sccm氢气和15sccm甲烷，进行石墨烯的化学气相沉积反应，反应时间8h，从而将石墨烯层沉积在纳米图形化蓝宝石衬底上。
2)对石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底进行氮等离子体处理。
将石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底放入等离子体处理腔室中，调节氮气流量为15sccm，功率为90w，压强为500Pa，进行30s等离子体处理。
3)在等离子体处理过的石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝薄膜。
将等离子体处理过的石墨烯图形化蓝宝石衬底放入MOCVD生长室，加热衬底至1200℃，调节TMAl流量50sccm，NH3流量500sccm，生长室压强为50torr，使用N2作为载气，生长1h，得到高质量的AlN薄膜。
用扫描电子显微镜，分别测量在传统纳米图形化蓝宝石衬底和石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上生长的氮化铝薄膜的表面形貌结构，结果如图1A和图1B所示，其中图1A是在传统纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的扫描电子显微镜图；图1B是在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的扫描电子显微镜图。从图1A可以看出，在传统纳米图形化蓝宝石衬底上生长氮化铝薄膜为不连续的岛状结构，参差不平；而从图1B可以看出，在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上生长的氮化铝薄膜表面连续平整。
为进一步验证生长的氮化铝薄膜的表面平整性，使用原子力显微镜测量氮化铝薄膜的表面粗糙度，结果如图2所示。从图2中可以看出，在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上生长的氮化铝薄膜的表面粗糙度为0.3nm，为原子级平整。
采用X射线衍射测试氮化铝薄膜的摇摆曲线，通过半高宽可以评估薄膜中的位错密度，结果如图3A和图3B所示图，其中图3A是在传统纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的X射线衍射摇摆曲线；图3B是在石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜的X射线衍射摇摆曲线。从图3A可以看出，在石墨烯纳米图形化衬底上生长的氮化铝薄膜(0002)峰具有更小的半高宽。从图3B可以看出，在石墨烯纳米图形化衬底上生长的氮化铝薄膜(10-12)峰具有更小的半高宽。折算成位错密度，螺位错密度为2.70E+08，刃位错密度6.82E+09，相比于在没有石墨烯的传统纳米图形化衬底位错密度降低至少一个数量级。
采用拉曼光谱测试在氮化铝薄膜的拉曼位移，通过拉曼峰位可以评估薄膜中的应力大小，结果如图4所示。从图中可以看出，与在传统纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长的氮化铝薄膜相比，在石墨烯纳米图形化衬底上生长的氮化铝薄膜拉曼峰位更趋向与本征体峰位，拉曼位移从662.5cm-1变为658.8cm-1，应力大小从1.378Ga缩小为0.378GPa，显著降低了应力。
综上所述，本发明利用石墨烯纳米图形化蓝宝石衬底作为氮化铝外延生长的衬底，并对石墨烯层进行等离子体处理，借助于石墨烯作为缓冲层，利用范德华外延的性质，降低晶格失配和热失配导致的高应力与高位错密度，从而有效提升外延氮化铝薄膜的质量。本发明制备方法简单，普适性高，适合工业批量生产。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种在纳米图形化蓝宝石衬底上外延生长氮化铝的方法，包括：
在纳米图形化蓝宝石衬底的表面沉积石墨烯层；
对所述石墨烯层进行等离子体处理；以及
在经处理后的所述石墨烯层上外延生长氮化铝层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述等离子体处理采用氮等离子体进行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述等离子体处理的功率为10-200W。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述等离子体处理的流量为10-500sccm。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述等离子体处理的时间为10-60s。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述等离子体处理的压强为100-1000Pa。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述氮化铝层的表面粗糙度为0.2-1nm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述氮化铝层通过金属有机化学气相沉积、氢化物气相外延、溅射或者分子束外延而形成。
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