本發(fā)明屬于信息電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高質(zhì)量a面氮化鋁薄膜及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在過(guò)去幾十年中，聲表面波(SAW)器件由于具有體積小、質(zhì)量輕、信號(hào)處理能力優(yōu)異、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛用于移動(dòng)通信、電視廣播以及各種軍用通訊中。隨著4G網(wǎng)絡(luò)以及頻率更高的通訊網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，聲表面波器件的使用頻率不斷提高。氮化鋁由于其具有高熱導(dǎo)率、高硬度、高熔點(diǎn)、色散小、聲速高、高的化學(xué)穩(wěn)定性、大的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和低的介電損耗，可廣泛用于聲表面波器件、各種傳感器、能量搜集器中。通過(guò)材料的壓電特性，進(jìn)行聲電、力電轉(zhuǎn)換，進(jìn)行信息的傳遞、處理和能源轉(zhuǎn)換。氮化鋁薄膜具有所有無(wú)機(jī)非壓電材料中最高的聲表面波速度，因此可以成為有效提高聲表面波器件中心頻率的壓電材料。而與一般的氮化鋁薄膜相比，高取向氮化鋁薄膜具有許多優(yōu)異的性能。氮化鋁薄膜通常沿著極性c軸[0001]方向生長(zhǎng)，而關(guān)于非極性a面氮化鋁的報(bào)道很少。實(shí)際上，a面氮化鋁比c面氮化鋁具有更好的壓電性和聲表面波高速傳輸性，因此制備a面氮化鋁薄膜將會(huì)提升聲表面波器件相速和機(jī)電耦合系數(shù)。這對(duì)于制備高頻聲表面波器件有著重大的意義。目前，氮化鋁薄膜一般生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上(藍(lán)寶石、碳化硅、硅等)。但是，由于a面氮化鋁與襯底之間存在較大的晶格失配度和熱失配，導(dǎo)致氮化鋁薄膜晶體質(zhì)量差，存在較高的位錯(cuò)密度和較大的應(yīng)力，嚴(yán)重影響了聲表面波器件的性能。所以根據(jù)以上問(wèn)題，生長(zhǎng)高質(zhì)量a面氮化鋁薄膜是制備上述聲表面波器件的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供高質(zhì)量a面氮化鋁薄膜及其制備方法與應(yīng)用，該方法利用二硫化鉬襯底生長(zhǎng)氮化鋁薄膜不但提高了a面取向，而且降低了氮化鋁薄膜的位錯(cuò)密度和應(yīng)力，制備得到的a面氮化鋁薄膜在用作聲表面波器件的壓電薄膜時(shí)，可使機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和傳播聲速增大，插入損耗減小，因此適合制備高頻、大功率、高機(jī)耦合系數(shù)SAW器件。

本發(fā)明提供的a面氮化鋁薄膜的制備方法，包括如下步驟：(1)在襯底表面制備二硫化鉬涂層，得到二硫化鉬覆蓋的襯底；(2)在所述二硫化鉬覆蓋的襯底上沉積氧化鋅，得到氧化鋅緩沖層薄膜覆蓋的襯底；(3)利用反應(yīng)濺射，在所述氧化鋅緩沖層薄膜覆蓋的襯底上沉積氮化鋁薄膜，即可得到所述a面氮化鋁薄膜。

上述的制備方法，步驟(1)中，所述襯底可采用生長(zhǎng)a面氮化鋁所使用的常規(guī)襯底，包括但不限于：藍(lán)寶石、鋁酸鑭或碳化硅。

上述的制備方法，步驟(1)中，向所述襯底上旋涂所述二硫化鉬之前，所述方法還可包括如下步驟：用丙酮、乙醇和/或去離子水清洗所述襯底，具體可包括如下步驟：依次用丙酮、乙醇和去離子水清洗所述襯底。

上述的制備方法，步驟(1)中，所述二硫化鉬涂層可通過(guò)如下步驟制備得到：將二硫化鉬旋涂于所述襯底上。

所述旋涂的具體步驟如下：將二硫化鉬分散于乙醇或水中得到二硫化鉬的分散液；將所述分散液滴在放置于均膠機(jī)的所述襯底上，使所述均膠機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)烘干即可。

所述分散液的濃度可為0.05～0.1mg/mL，具體可為0.05mg/mL；

控制所述均膠機(jī)以1000～5000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5～10s，使二硫化鉬均勻分布在所述襯底上，之后將所述柔性襯底迅速移到100～120℃的加熱臺(tái)上，烘5～10min后待用，具體可以2000～3000r/min、2000r/min或3000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)10～20s、10s或20s，之后將襯底迅速移到150℃的加熱臺(tái)上，烘干10min。

上述的制備方法，步驟(2)中，所述ZnO緩沖層薄膜的厚度可為5～40nm，具體可為40nm。

上述的制備方法，步驟(2)中，所述沉積可利用磁控濺射、激光脈沖沉積、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積等氧化鋅沉積方法。

所述金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積中，

所采用的鋅源可為二乙基鋅(DEZ)；

所述鋅源的流量可為300～400μmol/min，具體可為342～360μmol/min、342μmol/min或360μmol/min；

所采用的氧源可為氧氣；

所述氧源的流量可為450～500μmol/min，具體可為450μmol/min或500μmol/min；

反應(yīng)氣壓可為3～6Torr，具體可為5Torr；

沉積溫度可為600～700℃，具體可為600℃；

沉積時(shí)間可為1～5min，具體可為3～4min、3min或4min。

上述的制備方法，步驟(3)中，

所述反應(yīng)濺射可在真空度為10^-6Pa～10^-4Pa的條件下進(jìn)行，具體可在真空度為5×10^-5Pa的條件下進(jìn)行；

所述反應(yīng)濺射的工作氣體可為氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w；所述工作氣體中，所述氮?dú)馀c所述氬氣的體積比可為(0.5～1)：1，具體可為1：1；所述氬氣的純度可為99.999％，所述氮?dú)獾募兌瓤蔀?9.999％；所述工作氣體的通入方式可為先通入氬氣再通入氮?dú)狻?/p>

所述工作氣體是通過(guò)流量控制器實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)地通入到所述磁控濺射鍍膜機(jī)的真空腔中；控制所述工作氣體的流量可為6～60mL/min，具體可為18mL/min。

上述的制備方法，步驟(3)中，所述反應(yīng)濺射為直流反應(yīng)磁控濺射，所述反應(yīng)濺射的磁控濺射源為平面靶磁控濺射源；

所述反應(yīng)濺射的功率可為100～250W，具體可為200～250W、200W或250W；

所述反應(yīng)濺射的溫度可為500～600℃，具體可為500℃或600℃；

所述反應(yīng)濺射的時(shí)間為20～60min，具體可為40min；

所述反應(yīng)濺射的靶材可為鋁靶，所述金屬鋁靶的直徑可為75mm，純度可為99.999％；所述靶材與所述氧化鋅緩沖層薄膜覆蓋的襯底之間的距離可為60mm～80mm，具體可為60mm；

所述工作氣體的壓力可為0.2～0.8Pa，具體可為0.4～0.8Pa、0.4Pa或0.8Pa。

所述反應(yīng)濺射完成后，還包括待基片臺(tái)溫度低于100℃，向所述磁控濺射鍍膜機(jī)的真空室中充入高純氮?dú)庵琳婵帐覂?nèi)壓力為大氣壓，取出所制備的氮化鋁薄膜的步驟。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種由上述的制備方法制備得到的a面氮化鋁薄膜。所述a面氮化鋁薄膜的厚度可為600～800nm，如600nm或800nm。所述a面氮化鋁薄膜的面搖擺曲線半高寬可低于1°，具有低的螺型和刃型位錯(cuò)密度，a面氮化鋁晶體質(zhì)量有明顯的提高。

本發(fā)明還提供了一種上述a面氮化鋁薄膜在制備聲表面波器件中的應(yīng)用。所述聲表面波器件可為高頻聲表面波器件，如器件中心頻率1.52GHz，聲速可達(dá)6480m/s。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、由于采用本發(fā)明所用的二硫化鉬襯底和氧化鋅緩沖層，本發(fā)明制備得到a面氮化鋁薄膜，掃描其(1120)面搖擺曲線半高寬可低于1°，具有低的螺型和刃型位錯(cuò)密度，a面氮化鋁晶體質(zhì)量有明顯的提高。

2、本發(fā)明采用二硫化鉬襯底和氧化鋅緩沖層，有效地緩解了氮化鋁層與襯底層之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配的問(wèn)題，使得本發(fā)明制備的氮化鋁薄膜中的應(yīng)力比較低。

3、本發(fā)明制備的高質(zhì)量a面氮化鋁壓電薄膜可用于制備高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件，產(chǎn)品可靠性強(qiáng)、成品率高且成本低。本發(fā)明工藝操作簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)施，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明制備的a面氮化鋁薄膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中將二硫化鉬旋涂在襯底上的SEM照片。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中生長(zhǎng)氧化鋅后的AFM照片。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的a面氮化鋁薄膜的XRD圖，插圖為a面氮化鋁晶面的搖擺曲線圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1制備的a面氮化鋁薄膜的AFM圖。

圖6本發(fā)明實(shí)施例1制備的a面氮化鋁薄膜的TEM圖。

圖7本發(fā)明實(shí)施例1制備的a面氮化鋁薄膜的SAW器件信號(hào)。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例2制備的a面氮化鋁薄膜的XRD圖，插圖為a面氮化鋁晶面的搖擺曲線圖。

圖9是本發(fā)明實(shí)施例2制備的a面氮化鋁薄膜的AFM圖。

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。

下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。

實(shí)施例1、覆蓋有二硫化鉬的r面藍(lán)寶石襯底上直流反應(yīng)磁控濺射沉積高質(zhì)量a面氮化鋁薄膜

(1)將r面藍(lán)寶石襯底依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗5min，再用氮?dú)獯蹈?，將已清洗后的襯底放在均膠臺(tái)上。

(2)配制濃度為0.05mg/mL二硫化鉬與乙醇的分散液，將二硫化鉬與乙醇的分散液逐滴滴在襯底上，啟動(dòng)均膠機(jī)，使其以3000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)20s，使二硫化鉬均勻分布在襯底上，之后將襯底迅速移到150℃的加熱臺(tái)上，烘干10min后待用。

該步驟中，將二硫化鉬旋涂于襯底上的SEM照片如圖2所示，由該圖可以看出，襯底上分布著一層很薄的二硫化鉬片。

(3)將步驟(2)中的襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室，將反應(yīng)室溫度升到600℃，將壓力升高到5Torr，依次通入二乙基鋅(DEZ)和氧氣作為反應(yīng)氣源，DEZ的流量為342μmol/min，氧氣流量為500μmol/min，沉積時(shí)間3min。將MOCVD反應(yīng)室溫度降至室溫后取出樣品，得到氧化鋅緩沖層薄膜，其AFM照片如3所示，氧化鋅表面平整，致密無(wú)孔，氧化鋅薄膜表面的均方根粗糙度RMS＝0.3nm。

(4)將步驟(3)中的襯底用鐵絲固定在磁控濺射的基片臺(tái)上，基片連同基片臺(tái)一起裝入真空室?；嚯x靶材60mm，靶材為高純度的Al靶(直徑為75mm，純度為99.999％)。啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空至5×10^-5Pa，濺射氮化鋁時(shí)工作氣體為高純氬氣(純度為99.999％)與氮?dú)?純度為99.999％)混合氣體，其中氬氣流量為18mL/min，氮?dú)饬髁繛?8mL/min。工作氣壓為0.4Pa，射頻功率為200W，反應(yīng)溫度為500℃，基片臺(tái)的自轉(zhuǎn)速度為5r/min，濺射時(shí)間為40min。在開始正式濺射前，用擋板擋住靶材。用250W入射功率轟擊Al靶5min，去除靶材表面雜質(zhì)及氧化層。再通入高純氮?dú)?，預(yù)濺射5min左右，待電源示數(shù)穩(wěn)定后，打開靶擋板，開始薄膜生長(zhǎng)。反應(yīng)濺射完成后，停止對(duì)基片臺(tái)加熱，待溫度低于100℃時(shí)，向磁控濺射鍍膜機(jī)的真空室中充入空氣至真空室內(nèi)壓力為大氣壓，開腔取出所制備的氮化鋁薄膜，制備得到平均厚度為800nm的氮化鋁薄膜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本實(shí)施例制備的氮化鋁薄膜的XRD圖譜如圖4所示，從圖4中可以看出除了襯底和緩沖層氧化鋅的衍射峰外，只在59.4°有衍射峰，表明在利用二硫化鉬過(guò)渡層和氧化鋅緩沖層生長(zhǎng)氮化鋁薄膜具有取向；由圖4插圖可以看出，其面搖擺曲線半高寬為0.91°，明顯優(yōu)于沒有加二硫化鉬過(guò)渡層的樣品，表明生長(zhǎng)出的a面氮化鋁薄膜晶體質(zhì)量高。

本實(shí)施例制備的氮化鋁薄膜的AFM圖如圖5所示，由該圖可以看出，氮化鋁薄膜致密無(wú)孔，晶粒大小較為均勻，晶粒排列緊密；氮化鋁薄膜表面的均方根粗糙度RMS＝1.59nm，完全達(dá)到了制作聲表面波器件的要求。

本實(shí)施例制備的氮化鋁薄膜的高分辨TEM圖如圖6所示，插圖為衍射斑點(diǎn)。由該圖可以看出，氮化鋁和氧化鋅界面清晰，沒有反應(yīng)層。ZnO薄膜膜厚平均為40nm；衍射花樣由清晰銳利的衍射斑點(diǎn)組成，這些衍射花樣對(duì)應(yīng)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，表明薄膜是單晶結(jié)構(gòu)，并且不含任何其他雜質(zhì)相。

本實(shí)施例制備的氮化鋁SAW器件信號(hào)如7所示。器件中心頻率1.52GHz，聲速可達(dá)6480m/s，可見利用a面氮化鋁可以制備高頻的SAW器件。

由上述測(cè)試結(jié)果可以看出，利用二硫化鉬襯底及氧化鋅緩沖層上生長(zhǎng)的a面氮化鋁薄膜晶體質(zhì)量高，表面平滑等優(yōu)點(diǎn)，完全達(dá)到聲表面器件的要求，具有良好的應(yīng)用前景。

實(shí)施例2、覆蓋有二硫化鉬的鋁酸鑭襯底上直流反應(yīng)磁控濺射沉積高質(zhì)量a面氮化鋁薄膜

(1)將鋁酸鑭襯底依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗5min，再用氮?dú)獯蹈?，將已清洗后的襯底放在均膠臺(tái)上。

(2)配制濃度為0.05mg/mL二硫化鉬與乙醇的分散液，將二硫化鉬與乙醇的分散液逐滴滴在襯底上，啟動(dòng)均膠機(jī)，使其以2000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)10s，使二硫化鉬均勻分布在襯底上，之后將襯底迅速移到150℃的加熱臺(tái)上，烘干10min后待用。

(3)將步驟(2)中的襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室，將反應(yīng)室溫度升到600℃，將壓力升高到5Torr，依次通入二乙基鋅(DEZ)和氧氣作為反應(yīng)氣源，DEZ的流量為360μmol/min，氧氣流量為450μmol/min，沉積時(shí)間4min。將MOCVD反應(yīng)室溫度降至室溫后取出樣品，得到氧化鋅緩沖層薄膜。

(4)將步驟(3)中的襯底用鐵絲固定在磁控濺射的基片臺(tái)上，基片連同基片臺(tái)一起裝入真空室?；嚯x靶材60mm，靶材為高純度的Al靶(直徑為75mm，純度為99.999％)。啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵抽真空至5×10^-5Pa，濺射氮化鋁時(shí)工作氣體為高純氬氣(純度為99.999％)與氮?dú)?純度為99.999％)混合氣體，其中氬氣流量為18mL/min，氮?dú)饬髁繛?8mL/min。工作氣壓為0.8Pa，射頻功率為250W，反應(yīng)溫度為600℃，基片臺(tái)的自轉(zhuǎn)速度為5r/min，濺射時(shí)間為40min。在開始正式濺射前，用擋板擋住靶材。用250W入射功率轟擊Al靶5min，去除靶材表面雜質(zhì)及氧化層。再通入高純氮?dú)?，預(yù)濺射5min左右，待電源示數(shù)穩(wěn)定后，打開靶擋板，開始薄膜生長(zhǎng)。反應(yīng)濺射完成后，停止對(duì)基片臺(tái)加熱，待溫度低于100℃時(shí)，向磁控濺射鍍膜機(jī)的真空室中充入空氣至真空室內(nèi)壓力為大氣壓，開腔取出所制備的氮化鋁薄膜，制備得到平均厚度為600nm的氮化鋁薄膜。

本實(shí)施例制備的氮化鋁薄膜的XRD圖譜如圖8所示，從圖8中可以看出除了襯底和緩沖層氧化鋅的衍射峰外，只在59.4°有衍射峰，表明在利用二硫化鉬過(guò)渡層和氧化鋅緩沖層生長(zhǎng)氮化鋁薄膜具有取向；由圖8插圖可以看出，其面搖擺曲線半高寬為1.1°，表明生長(zhǎng)出的a面氮化鋁薄膜晶體質(zhì)量高。

本實(shí)施例制備的氮化鋁薄膜的AFM圖如圖9所示，由該圖可以看出，氮化鋁薄膜致密無(wú)孔，晶粒大小較為均勻，晶粒排列緊密；氮化鋁薄膜表面的均方根粗糙度RMS＝1.65nm，完全達(dá)到了制作聲表面波器件的要求。

由上述測(cè)試結(jié)果可以看出，利用二硫化鉬襯底及氧化鋅緩沖層上生長(zhǎng)的a面氮化鋁薄膜，晶體質(zhì)量高、晶粒大小均勻、表面平滑等優(yōu)點(diǎn)，完全達(dá)到聲表面器件的要求，具有良好的應(yīng)用前景。