專利名稱：一種生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及AlN薄膜領(lǐng)域，具體涉及ー種生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
AlN是III A族化合物，一般以六方晶系中的纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在，有許多優(yōu)異的性能，如高的熱傳導(dǎo)性、低的熱膨脹系數(shù)、高的電絕緣性質(zhì)、高的介質(zhì)擊穿強(qiáng)度、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和低毒害性、良好的光學(xué)性能等。由于AlN有諸多優(yōu)異性能，帶隙寬、極化強(qiáng)，禁帶寬度為6. 2eV，使其在機(jī)械、微電子、光學(xué)，以及電子元器件、聲表面波器件制造、高頻寬帶通信和功率半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，AlN的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面壓電材料、外延緩沖層材料、發(fā)光層材料。一方面，由于AlN材料具有電子漂移飽和速率高、熱導(dǎo)率高、介質(zhì)擊穿強(qiáng)度高等優(yōu)異特性，其在高頻、高溫、高壓電子器件領(lǐng)域有著巨大的潛力，而纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN薄膜具有高速率聲波學(xué)的壓電特性，其表面聲學(xué)在已知壓電材料中最高，并具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)，因此AlN是用于制備高頻表面波器件的優(yōu)選材料。另ー方面，由于AlN具有高熱導(dǎo)、低熱膨脹以及較寬帶隙的優(yōu)點(diǎn)，而且與GaN晶格有較好的匹配，用AlN作為緩沖層可以有效提高GaN、InN外延薄膜的晶體質(zhì)量，明顯改善其電學(xué)與光學(xué)性能。另外，AlN可以作為藍(lán)光紫外光的發(fā)光材料，如果進(jìn)行摻雜或者制作復(fù)合膜，發(fā)光光譜將覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域。AlN薄膜必須具有較高的結(jié)晶質(zhì)量，才能滿足以上多方面的應(yīng)用。目前常用于制備AlN薄膜的方法有化學(xué)氣相沉積法、磁控濺射法、脈沖激光沉積法以及分子束外延法等。然而，絕大多數(shù)的制備方法要求將襯底加熱到較高的溫度，但較高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致襯底材料的損傷，這是AlN薄膜制備的一大難題。并且，要達(dá)到生長(zhǎng)高質(zhì)量AlN晶體的要求，則需要復(fù)雜的設(shè)備儀器，造價(jià)昂貴，且單個(gè)薄膜的生長(zhǎng)速度較慢，單個(gè)樣品的成本過(guò)高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜及其制備方法，其通過(guò)選用合適的襯底及晶體方向以及エ藝參數(shù)的控制，獲得高質(zhì)量的AlN薄膜，并降低了制備成本。本發(fā)明的另一目的在于提供上述AlN薄膜的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜，其采用如下制備方法獲得采用Si襯底，選擇Si襯底的(111)晶面為晶體取向，先在Si(Ill)晶面上生長(zhǎng)出Al緩沖層，再外延生長(zhǎng)AlN薄膜。不同襯底上生長(zhǎng)AlN薄膜，其性能不同，但各類襯底材料與AlN晶體間的晶格失配是影響薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量的重要因素。在Si襯底上沉積AlN薄膜可以將其光電特性實(shí)用化、集成化。在Si(Ill)晶面上的Si原子具有類六角結(jié)構(gòu)排列，適合直接生長(zhǎng)AlN薄膜。優(yōu)選地，在生長(zhǎng)Al緩沖層之前，對(duì)襯底依次進(jìn)行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。表面拋光的具體方法是將Si襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，用光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面沒(méi)有劃痕后，采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光法對(duì)襯底進(jìn)行拋光處理。
清洗步驟的具體方法是將Si襯底先放在丙酮溶液中超聲清洗，然后再放在去離子水中超聲清洗；接著在異丙酮溶液中超聲清洗；然后在氫氟酸溶液中超聲清洗，再在去離子水中浸泡；再將Si襯底放在硫酸和雙氧水的混合溶液中浸泡；最后將Si襯底放入氫氟酸中浸泡，用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?，放入氮?dú)夤駜?nèi)。退火的具體方法是將Si襯底放在超高真空的生長(zhǎng)室內(nèi)，在900 — 1000°C下烘烤3 — 5h去除表面的污染物，然后空冷至室溫。通過(guò)以上的退火處理后，可使襯底獲得原子級(jí)平整的表面，有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量AlN薄膜。采用分子束外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)Al緩沖層，襯底的溫度為500 — 600°C，真空度為KTiciTorr 以上。采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法外延生長(zhǎng)AlN薄膜，襯底溫度為650 — 7500C，反應(yīng)室壓カ為 10 — 15mTorr、V/III 比為 50 — 60、生長(zhǎng)速度為 0. 4 — 0. 6 ML/s。采用分子束外延生長(zhǎng)法與脈沖激光沉積生長(zhǎng)法相結(jié)合，先利用分子束外延生長(zhǎng)Al緩沖層，再利用脈沖激光沉積外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)AlN薄膜，能夠提高外延生長(zhǎng)的效率，根據(jù)基材的特性擇優(yōu)選擇外延方法，有利于外延層的質(zhì)量的提高。另外，AlN薄膜與Si襯底之間的晶格失配度高達(dá)19%，熱膨脹系數(shù)相差44%，還存在界面擴(kuò)散等問(wèn)題，導(dǎo)致直接在Si襯底上生長(zhǎng)的AlN薄膜晶體的質(zhì)量較差、缺陷密度高，從而降低了 AlN薄膜基器件的發(fā)光效率，難以達(dá)到光電器件的要求。而通過(guò)降低生長(zhǎng)溫度，有效抑制了傳統(tǒng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積エ藝(MOCVD)生長(zhǎng)氮化物的高溫條件(一般都在1000°C以上)對(duì)襯底與AlN晶格失配度和熱膨脹系數(shù)失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低，提高了 AlN薄膜的品質(zhì)。此外，エ藝參數(shù)及氧含量等因素均會(huì)影響獲得的AlN晶體的質(zhì)量，當(dāng)氧含量較高時(shí)，氧極易和鋁反應(yīng)，生成氧化物進(jìn)入AlN薄膜的晶格結(jié)構(gòu)中形成缺陷，從而降低了 AlN基器件的發(fā)光效率。為了減小氧對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的影響，采取上述的エ藝參數(shù)，控制真空度、反應(yīng)室所壓、排氣時(shí)間等，能夠獲得高質(zhì)量的AlN薄膜。優(yōu)選地，Al緩沖層的厚度為3 — 5nm?？梢酝ㄟ^(guò)RHEED檢測(cè)，控制該層的生長(zhǎng)情況。本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜可以應(yīng)用在光電探測(cè)器、LED器件中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1、使用Si為襯底，同時(shí)采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在Si (111)晶面上生長(zhǎng)AlN薄膜，AlN晶體擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，獲得襯底與AlN之間很低的晶格失配度,極大地提聞了 AlN晶體的質(zhì)量。2、采用了脈沖激光沉積生長(zhǎng)法生長(zhǎng)AlN薄膜，既為低溫生長(zhǎng)AlN提供基礎(chǔ)，又可有效縮短氮化物的形核時(shí)間，保證所獲得的AlN薄膜的単一性。
3、采用分子束外延生長(zhǎng)法與脈沖激光沉積外延生長(zhǎng)法相結(jié)合，先利用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)Al緩沖層，再利用脈沖激光沉積外延技術(shù)生長(zhǎng)AlN薄膜，提高了外延生長(zhǎng)的效率，根據(jù)基材的特性擇優(yōu)選擇外延方法，有利于外延層質(zhì)量的提高。同時(shí)，通過(guò)降低生長(zhǎng)溫度，有效抑制了傳統(tǒng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積エ藝(MOCVD)生長(zhǎng)氮化物的高溫條件(一般都在IOOO0C以上)對(duì)襯底與AlN的晶格失配度和熱膨脹系數(shù)失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低。4、Si作為襯底，容易獲得，價(jià)格便宜，且采用了低溫生長(zhǎng)技術(shù)，有利于降低生產(chǎn)成本。綜上所述，本發(fā)明的制備エ藝獨(dú)特而易行，生產(chǎn)成本低，獲得的AlN薄膜具有缺陷密度低、晶體質(zhì)量高、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的X射線面掃描圖譜；
圖3為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的(002)面X射線回?cái)[曲線 圖4為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的GIXR圖譜；
圖5為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜應(yīng)用在LED器件中的示意 圖6為本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜應(yīng)用在光電探測(cè)器中的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1
請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜包括Si襯底層11、生長(zhǎng)在Si襯底層11上的AlN薄膜層12。所述AlN薄膜層12為單晶薄膜層或多晶薄膜層。該生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜采用如下方法制得
(I)襯底及晶向的選擇選取Si襯底，同時(shí)選取Si襯底的(111)晶面。 (2)采用分子束外延生長(zhǎng)法，在Si襯底上生長(zhǎng)Al緩沖層，エ藝條件
為
襯底溫度為500 - 6000C，真空度為10_lclTorr以上，生長(zhǎng)速度為0. 6nm/min,生長(zhǎng)Al緩沖層厚度為3 — 5nm，通過(guò)RHEED檢測(cè)、控制生長(zhǎng)情況。(3)通入氮的等離子體對(duì)Al緩沖層進(jìn)行氮化。(4)采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法生長(zhǎng)AlN薄膜，エ藝條件為襯底溫度為
650 - 750°C，反應(yīng)室壓カ為10 - 15mTorr、V/III比為50 — 60、生長(zhǎng)速度為0. 4 — 0. 6ML/s。具體是用能力為2. 0 — 3. 0 J/cm2以及重復(fù)頻率為20 — 25Hz的KrF準(zhǔn)分子激光(入=248nm，t=20ns) PLD燒蝕AlN靶材，在沉積AlN薄膜時(shí)，生長(zhǎng)室內(nèi)壓カN2保持在10 —15mTorr,保證獲得高質(zhì)量的AlN薄膜。
(5)保溫 25 - 35 分鐘，溫度為 650 — 750°C。實(shí)施例2
本實(shí)施例是在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)行改行的，不同之處在于在生長(zhǎng)AlN緩沖層之前，對(duì)襯底依次進(jìn)行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟，具體方法如下
表面拋光處理將Si襯底表 面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，用光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面沒(méi)有劃痕后，再采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)襯底進(jìn)行拋光處理。清洗將裝有Si片的卡槽放入洗浄的方樽中，加入去離子水和已配好的丙酮直至溶液完全浸沒(méi)Si片，超聲5 — 10分鐘；將方樽放入超聲槽內(nèi)，加入去離子水直至水的液面略低于方樽，進(jìn)行超聲清洗5 — 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲后的方樽取出，用去離子水清洗2 — 3遍，直至將丙酮洗浄；向方樽里注入IPA溶液，超聲5 — 10分鐘；將方樽放入超聲槽內(nèi)，加入IPA直至溶液的液面略低于方樽，進(jìn)行超聲清洗5 — 10分鐘，超聲波功率為60 — 80瓦；將超聲后的方樽取出，用去IPA溶液清洗2 — 3遍；向方樽里加入去離子水，直至浸沒(méi)Si片，再將其放入超聲槽內(nèi)清洗5 — 10分鐘；取出方樽，再取出方樽里的卡槽，向方樽里注入氫氟酸和水直至其液面高度略小于或等于Si片的直徑；用聚四氟こ烯的夾子將Si片立于方樽內(nèi)，將Si片從氫氟酸溶液中取出，放入去離子水中浸泡I 一 2分鐘；配制濃硫酸雙氧水=4:1的溶液于方樽中，加入等量的去離子水，將Si片從氫氟酸中取出并放入硫酸雙氧水中5 — 7分鐘；再次將Si片放入氫氟酸中I 一 2分鐘，電子級(jí)氫氟酸水=1:10 ;用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?，放入氮?dú)饩堋?br> 退火將襯底放在壓強(qiáng)為2X10 —ltlTorr的超高真空的生長(zhǎng)室內(nèi)，在900 — 1000°C下高溫烘烤3 — 5 h以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。請(qǐng)參照?qǐng)D2，從X射線面掃描圖譜中可以看到，AlN薄膜成功在Si襯底行外延生長(zhǎng)，外延關(guān)系為A1N(002)//Si (Ill)0請(qǐng)參照?qǐng)D3，從X射線回?cái)[典線圖中可以看到，AlN(002)薄膜的半峰寬(FWHM)值低于0.1°，由此計(jì)算可知，其缺陷密度低于2父108(^_2，表明在51(111)面上外延生長(zhǎng)出了低缺陷密度的高質(zhì)量AlN薄膜。請(qǐng)參照?qǐng)D4，X射線掠入角(GIXR)測(cè)試表明A1N/Si的異質(zhì)節(jié)是原子級(jí)突變的，為生長(zhǎng)高質(zhì)量AlN薄膜提供保證。綜上所述，無(wú)論是在缺陷密度，還是在結(jié)晶質(zhì)量方面，采用分子束外延生長(zhǎng)法與脈沖激光沉積外延生長(zhǎng)法相結(jié)合在Si襯底上獲得的AlN薄膜具有優(yōu)異性能，優(yōu)于目前已經(jīng)報(bào)道的應(yīng)用傳統(tǒng)襯底獲得的AlN薄膜的相關(guān)結(jié)果。實(shí)施例3本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜在LED器件中的應(yīng)用
請(qǐng)參照?qǐng)D5，將實(shí)施例2獲得的AlN薄膜應(yīng)用到LED器件中的方法，其包括在Si (111)晶面上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量AlN薄膜，形成AlN薄膜10后，依次生長(zhǎng)高質(zhì)量的U-GaN薄膜層11，n型摻硅GaN外延層12，InxGa1^xN多量子阱層13，p型摻鎂GaN層14，具體如下
在AlN薄膜10上生長(zhǎng)高質(zhì)量的U-GaN薄膜層11 ;再在U-GaN薄膜層11上生長(zhǎng)n型摻硅GaN外延層12，其厚度約為5 Pm，其載流子的濃度為I X 1019cm_3。接著生長(zhǎng)InxGai_xN多量子阱層13，厚度約為112 nm,周期數(shù)為7，其中InxGai_xN阱層為3 nm，壘層為13 nm，0 < X < I。之后再生長(zhǎng)Mg摻雜的p型摻鎂GaN層14，厚度約為350 nm,其載流子濃度為2 XlO1W30最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在此基礎(chǔ)上通過(guò)在N2氣氛下退火，提高了 P型摻鎂GaN層14的載流子濃度和遷移率。實(shí)施例4本發(fā)明的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜在光電探測(cè)器中的應(yīng)用
請(qǐng)參照?qǐng)D6，將實(shí)施例2獲得的AlN薄膜應(yīng)用到光電探測(cè)器的方法，其中包括Si
(111)晶面上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量AlN薄膜，形成AlN薄膜20后，依次生長(zhǎng)高質(zhì)量的U-GaN薄膜層21，n型摻硅GaN外延層22，非摻雜GaN層23，p型摻鎂GaN層24。在AlN薄膜20上生長(zhǎng)U-GaN薄膜 層21，其厚度約為300nm;在U-GaN薄膜層21上生長(zhǎng)n型摻硅GaN外延層22，其厚度約為3 Pm，其載流子的濃度為I X 1019cm_3。接著生長(zhǎng)非摻雜GaN外延層23，厚度約為200 nm，其載流子濃度為2. 2 X IO16CnT 3。之后再生長(zhǎng)Mg摻雜的p型摻鎂GaN層24，厚度約為1. 5 U m。最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。在此基礎(chǔ)上通過(guò)在N2氣氛下退火，提高了 p型摻鎂GaN層24的載流子濃度和遷移率。所制備的P -1 -n結(jié)構(gòu)的GaN紫外光電探測(cè)器在I V偏壓下，暗電流僅為65 pA,并且器件在I V偏壓下，在361 nm處響應(yīng)度的最大值達(dá)到了 0. 92 A/W。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不能以此來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于采用Si襯底，選擇Si襯底的(111)晶面為晶體取向，先在Si(Ill)晶面上生長(zhǎng)出Al緩沖層，再外延生長(zhǎng)AlN薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于在生長(zhǎng)Al緩沖層之前，對(duì)襯底依次進(jìn)行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于，表面拋光的具體方法是將Si襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，用光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面沒(méi)有劃痕后，采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)機(jī)械拋光法對(duì)襯底進(jìn)行拋光處理。
4.如權(quán)利要求2所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于，清洗步驟的具體方法是將Si襯底先放在丙酮溶液中超聲清洗，然后再放在去離子水中超聲清洗；接著在異丙酮溶液中超聲清洗；然后在氫氟酸溶液中超聲清洗，再在去離子水中浸泡；再將Si襯底放在硫酸和雙氧水的混合溶液中浸泡；最后將Si襯底放入氫氟酸中浸泡,用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?，放入氮?dú)夤駜?nèi)。
5.如權(quán)利要求2所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于，退火的具體方法是將Si襯底放在超高真空的生長(zhǎng)室內(nèi)，在900 - 1000°C下烘烤3 - 5h去除表面的污染物，然后空冷至室溫。
6.如權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于采用分子束外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)Al緩沖層，襯底的溫度為500 - 600°C，真空度為KTltlTorr以上。
7.如權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法外延生長(zhǎng)AlN薄膜，襯底溫度為650 - 750°C，反應(yīng)室壓力為10 —15mTorr、V/III 比為 50 — 60、生長(zhǎng)速度為 0. 4 - 0. 6 ML/s。
8.如權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于A1緩沖層的厚度為3 — 5nm。
9.一種生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜，其特征在于采用權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的制備方法獲得。
10.權(quán)利要求9所述的生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜在制備光電探測(cè)器、LED器件中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜，其采用如下制備方法獲得采用Si襯底，選擇Si襯底的(111)晶面為晶體取向，先在Si(111)晶面上生長(zhǎng)出Al緩沖層，再外延生長(zhǎng)AlN薄膜。本發(fā)明使用Si為襯底，同時(shí)采用脈沖激光沉積生長(zhǎng)法在Si(111)襯底上生長(zhǎng)AlN薄膜，AlN晶體擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，獲得襯底與AlN之間很低的晶格失配度，極大地提高了AlN晶體的質(zhì)量，適合應(yīng)用在光電探測(cè)器、LED器件中。
文檔編號(hào)H01L33/12GK103022295SQ201210536779
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者李國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣州市眾拓光電科技有限公司