一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用。所述高c轴取向AlN薄膜的制备方法包括如下步骤：将石墨烯旋涂于衬底上得到石墨烯覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述石墨烯覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；所述反应溅射的靶材为铝靶。本发明专利技术方法采用石墨烯作缓冲层有效地缓解了衬底层与AlN层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题，使得本发明专利技术制备的AlN薄膜中的应力比较低。本发明专利技术择优取向的AlN压电薄膜可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件，产品可靠性强、成品率高且成本低。本发明专利技术制备方法操作简单，成本低廉，易于实施，有利于大规模推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用，属于信息电子材料

技术介绍
AlN是一种应用广泛的、具有密排六方纤锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族复合半导体材料，其具有优异的物理化学性能，如直接禁带宽度大、高熔点、高热导率，高介电常数、高的温度稳定性、高的声速等。在信息通讯领域里，声表面波(SAW)器具有体积小、质量轻、信号处理能力优异、稳定性好等特点，被广泛用于移动通信、电视广播以及各种军用通讯中。随着4G网络以及频率更高的通讯网络的出现和发展，声表面波器件的使用频率不断提高，而AlN薄膜具有所有无机非压电材料中最高的声表面波速度，因此可以成为有效提高声表面波器件中心频率的压电材料。而与一般的AlN薄膜相比，高取向AlN薄膜具有许多优异的性能，例如，沿c轴取向的AlN具有非常好的压电性和声表面波高速传输性，因此制备c轴取向AlN薄膜将会很大提升声表面波器件相速和机电耦合系数。目前，AlN薄膜一般生长在异质衬底上。由于AlN与衬底存在较大的晶格失配度和热膨胀失配度，导致AlN薄膜晶体质量差，存在较高的位错密度和较大的应力，严重影响了声表面波器件的性能。所以根据以上问题，生长高c轴取向、低位错密度和低应力的AlN薄膜是制备声表面波器件的前提。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用，本专利技术利用成本低廉的石墨烯作为缓冲层，采用直流反应磁控溅射直接在覆盖了石墨烯的衬底上沉积得到AlN薄膜，操作简单；本专利技术制备方法不但提高了AlN薄膜的c轴取向，而且降低了AlN薄膜的位错密度和应力。本专利技术AlN薄膜在用作声表面波器件的压电薄膜时，可使机电转换效率增大，插入损耗减小，因此适合制备高频、大功率、高机耦合系数SAW器件。本专利技术提供的高c轴取向AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯旋涂于衬底上得到石墨烯覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述石墨烯覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；所述反应溅射的靶材为铝靶。上述的制备方法中，所述衬底可为蓝宝石、碳化硅或硅片；向所述衬底上旋涂所述石墨烯之前，所述方法还包括如下步骤：用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述衬底，可采用超声清洗，然后用氮气吹干。上述的制备方法中，采用如下步骤将所述石墨烯旋涂于所述衬底上：将石墨烯纳米片分散于N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中得到石墨烯的分散液；将所述分散液滴在放置于均胶机的所述衬底上，使所述均胶机旋转，经烘干即可。所述分散液的浓度可为0.05～1mg/mL，具体可为0.1mg/mL；控制所述均胶机以1000～3000r/min的转速旋转5～10s，使石墨烯均匀分布在所述衬底上，之后将所述衬底迅速移到100～180℃的加热台上，烘5～10min后待用，具体可以2000r/min的转速旋转8s，之后将衬底迅速移到150℃的加热台上，烘干10min。上述的制备方法中，所述反应溅射在真空度为10-6～10-4Pa的条件下进行，所述真空度具体可为5×10-5Pa；所述工作气体中，所述氮气与所述氩气的体积比可为0.5～1:1，具体可为1:1；所述氩气的纯度为99.999％，所述氮气的纯度为99.999％。所述工作气体的通入方式为先通入所述氩气再通入所述氮气；控制所述工作气体的流量可为6mL/min～60mL/min，具体可为36mL/min。上述的制备方法中，所述反应溅射可为直流反应磁控溅射，所述反应溅射的磁控溅射源为平面靶磁控溅射源；所述反应溅射的功率可为100W～200W，具体可为200W；所述反应溅射的温度可为500℃～600℃，具体可为500℃；所述反应溅射的时间可为20min～60min，具体可为40min；所述靶材与所述石墨烯覆盖的衬底之间的距离可为6cm～8cm，具体可为6cm；所述工作气体的压力可为0.2Pa～0.8Pa，具体可为0.4Pa。进行所述反应溅射时，是将所述石墨烯覆盖的衬底置于磁控溅射镀膜机的基片台上；所述反应溅射完成后，还包括如下步骤：待基片台温度低于100℃，向所述磁控溅射镀膜机的真空室中充入高纯氮气至真空室内压力为大气压，取出所述AlN薄膜。本专利技术还提供了由上述方法制备的AlN薄膜，其为压电薄膜，其厚度为600～800nm；所述AlN薄膜具有高(002)晶面(即c轴)取向。本专利技术提供的AlN薄膜可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的声表面波器件。通过本专利技术可以发现，以石墨烯作为缓冲层生长AlN薄膜，不但提高了AlN薄膜的c轴取向，而且降低了AlN薄膜的位错密度和应力。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术利用石墨烯作为缓冲层在衬底上成功制备出AlN薄膜，所制备的AlN薄膜具有高度的c轴取向、低的位错密度和低的残余应力。本专利技术制备得到的AlN薄膜，扫描其(002)面摇摆曲线半高宽可低于0.90°，其(102)面摇摆曲线半高宽可低于1.3°，具有低的螺型和刃型位错密度，AlN晶体质量有明显的提高。本专利技术方法采用石墨烯作缓冲层有效地缓解了衬底层与AlN层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题，使得本专利技术制备的AlN薄膜中的应力比较低。本专利技术择优取向的AlN压电薄膜可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件，产品可靠性强、成品率高且成本低。本专利技术制备方法操作简单，成本低廉，易于实施，有利于大规模推广应用。附图说明图1是本专利技术制备的AlN薄膜的结构示意图。图2是本专利技术实施例1中将石墨烯纳米片旋涂在衬底上的SEM照片图3是本专利技术实施例1制备的AlN薄膜的AFM图。图4是本专利技术实施例1制备的AlN薄膜的XRD图，其中图4(a)为AlN的2θ-ω图，图4(b)为AlN(002)晶面的摇摆曲线图，图4(c)为AlN(102)晶面的摇摆曲线图。图5是本专利技术实施例1制备的AlN薄膜的TEM图，其中，插图为AlN的选取衍射花样。图6是本专利技术实施例1制备的AlN薄膜的Raman图。图7是本专利技术实施例2制备的AlN薄膜的XRD图，其中图7(a)为AlN的2θ-ω图，图7(b)为AlN(002)晶面的摇摆曲线图，图7(c)为AlN(102)晶面的摇摆曲线图。图8是本专利技术实施例2制备的AlN薄膜的AFM图。图9是本专利技术实施例2制备的AlN薄膜的Raman图。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1、AlN薄膜的制备及其性能测试(1)将c面蓝宝石衬底依次用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗5min，再用氮气吹干，将已清洗后的衬底放在均胶台上。(2)配制浓度为0.10mg/mL石墨烯与N-甲基吡咯烷酮的分散液(采用的是石墨烯纳米片，由小于50个原子层石墨烯纳米片组成，其横向尺寸为2～10μm)，将石墨烯与N-甲基吡咯烷酮的分散液逐滴滴在衬底上，启动均胶机，使其以2000r/min的转速旋转8s，使石墨烯均匀分布在衬底上，之后将衬底迅速移到150℃的加热台上，烘干10min后待用。该步骤中，将石墨烯旋涂于衬底上的SEM照片如图2所示，由该图可以看出，衬底上分布着一层很薄的石墨烯片。(3)将步骤(2)中的衬底用铁丝固定在磁控溅射的基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高c轴取向AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯旋涂于衬底上得到石墨烯覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述石墨烯覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；所述反应溅射的靶材为铝靶。

【技术特征摘要】
1.一种高c轴取向AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯旋涂于衬底上得到石墨烯覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述石墨烯覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；所述反应溅射的靶材为铝靶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅片；向所述衬底上旋涂所述石墨烯之前，所述方法还包括如下步骤：用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述衬底。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：采用如下步骤将所述石墨烯旋涂于所述衬底上：将石墨烯纳米片分散于N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中得到石墨烯的分散液；将所述分散液滴在放置于均胶机的所述衬底上，使所述均胶机旋转，经烘干即可。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述反应溅射在真空度为10-6～10-4Pa的条件下进行；所述工作气体中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾飞，傅肃磊，潘峰，李起，王敏涓，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11