高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用。该方法包括如下步骤：(1)在衬底表面制备二硫化钼涂层，得到二硫化钼覆盖的衬底；(2)在所述二硫化钼覆盖的衬底上沉积氧化锌，得到氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底；(3)利用反应溅射，在所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底上沉积氮化铝薄膜，即可得到所述a面氮化铝薄膜。由于采用二硫化钼衬底和氧化锌缓冲层，本发明专利技术制备得到的a面氮化铝薄膜，扫描其(1120)面摇摆曲线半高宽可低于1°，具有低的螺型和刃型位错密度，a面氮化铝晶体质量有明显提高；有效地缓解了氮化铝层与衬底层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题；可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息电子材料
，具体涉及高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用。
技术介绍
在过去几十年中，声表面波(SAW)器件由于具有体积小、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。氮化铝由于其具有高热导率、高硬度、高熔点、色散小、声速高、高的化学稳定性、大的击穿场强和低的介电损耗，可广泛用于声表面波器件、各种传感器、能量搜集器中。通过材料的压电特性，进行声电、力电转换，进行信息的传递、处理和能源转换。氮化铝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。而与一般的氮化铝薄膜相比，高取向氮化铝薄膜具有许多优异的性能。氮化铝薄膜通常沿着极性c轴[0001]方向生长，而关于非极性a面氮化铝的报道很少。实际上，a面氮化铝比c面氮化铝具有更好的压电性和声表面波高速传输性，因此制备a面氮化铝薄膜将会提升声表面波器件相速和机电耦合系数。这对于制备高频声表面波器件有着重大的意义。目前，氮化铝薄膜一般生长在异质衬底上(蓝宝石、碳化硅、硅等)。但是，由于a面氮化铝与衬底之间存在较大的晶格失配度和热失配，导致氮化铝薄膜晶体质量差，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，生长高质量a面氮化铝薄膜是制备上述声表面波器件的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用，该方法利用二硫化钼衬底生长氮化铝薄膜不但提高了a面取向，而且降低了氮化铝薄膜的位错密度和应力，制备得到的a面氮化铝薄膜在用作声表面波器件的压电薄膜时，可使机电转换效率和传播声速增大，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a面氮化铝薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)在衬底表面制备二硫化钼涂层，得到二硫化钼覆盖的衬底；(2)在所述二硫化钼覆盖的衬底上沉积氧化锌，得到氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底；(3)利用反应溅射，在所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底上沉积氮化铝薄膜，即可得到所述a面氮化铝薄膜。上述的制备方法，步骤(1)中，所述衬底可采用生长a面氮化铝所使用的常规衬底，包括但不限于：蓝宝石、铝酸镧或碳化硅。上述的制备方法，步骤(1)中，向所述衬底上旋涂所述二硫化钼之前，所述方法还可包括如下步骤：用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述衬底，具体可包括如下步骤：依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗所述衬底。上述的制备方法，步骤(1)中，所述二硫化钼涂层可通过如下步骤制备得到：将二硫化钼旋涂于所述衬底上。所述旋涂的具体步骤如下：将二硫化钼分散于乙醇或水中得到二硫化钼的分散液；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0.05～0.1mg/mL，具体可为0.05mg/mL；控制所述均胶机以1000～5000r/min的转速旋转5～10s，使二硫化钼均匀分布在所述衬底上，之后将所述柔性衬底迅速移到100～120℃的加热台上，烘5～10min后待用，具体可以2000～3000r/min、2000r/min或3000r/min的转速旋转10～20s、10s或20s，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，步骤(2)中，所述ZnO缓冲层薄膜的厚度可为5～40nm，具体可为40nm。上述的制备方法，步骤(2)中，所述沉积可利用磁控溅射、激光脉冲沉积、金属有机化合物化学气相沉积等氧化锌沉积方法。所述金属有机化合物化学气相沉积中，所采用的锌源可为二乙基锌(DEZ)；所述锌源的流量可为300～400μmol/min，具体可为342～360μmol/min、342μmol/min或360μmol/min；所采用的氧源可为氧气；所述氧源的流量可为450～500μmol/min，具体可为450μmol/min或500μmol/min；反应气压可为3～6Torr，具体可为5Torr；沉积温度可为600～700℃，具体可为600℃；沉积时间可为1～5min，具体可为3～4min、3min或4min。上述的制备方法，步骤(3)中，所述反应溅射可在真空度为10-6Pa～10-4Pa的条件下进行，具体可在真空度为5×10-5Pa的条件下进行；所述反应溅射的工作气体可为氮气和氩气的混合气体；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；所述氩气的纯度可为99.999％，所述氮气的纯度可为99.999％；所述工作气体的通入方式可为先通入氩气再通入氮气。所述工作气体是通过流量控制器实时地动态地通入到所述磁控溅射镀膜机的真空腔中；控制所述工作气体的流量可为6～60mL/min，具体可为18mL/min。上述的制备方法，步骤(3)中，所述反应溅射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100～250W，具体可为200～250W、200W或250W；所述反应溅射的温度可为500～600℃，具体可为500℃或600℃；所述反应溅射的时间为20～60min，具体可为40min；所述反应溅射的靶材可为铝靶，所述金属铝靶的直径可为75mm，纯度可为99.999％；所述靶材与所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底之间的距离可为60mm～80mm，具体可为60mm；所述工作气体的压力可为0.2～0.8Pa，具体可为0.4～0.8Pa、0.4Pa或0.8Pa。所述反应溅射完成后，还包括待基片台温度低于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，取出所制备的氮化铝薄膜的步骤。本专利技术进一步提供了一种由上述的制备方法制备得到的a面氮化铝薄膜。所述a面氮化铝薄膜的厚度可为600～800nm，如600nm或800nm。所述a面氮化铝薄膜的面摇摆曲线半高宽可低于1°，具有低的螺型和刃型位错密度，a面氮化铝晶体质量有明显的提高。本专利技术还提供了一种上述a面氮化铝薄膜在制备声表面波器件中的应用。所述声表面波器件可为高频声表面波器件，如器件中心频率1.52GHz，声速可达6480m/s。本专利技术具有如下有益效果：1、由于采用本专利技术所用的二硫化钼衬底和氧化锌缓冲层，本专利技术制备得到a面氮化铝薄膜，扫描其(1120)面摇摆曲线半高宽可低于1°，具有低的螺型和刃型位错密度，a面氮化铝晶体质量有明显的提高。2、本专利技术采用二硫化钼衬底和氧化锌缓冲层，有效地缓解了氮化铝层与衬底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氮化铝薄膜中的应力比较低。3、本专利技术制备的高质量a面氮化铝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。本专利技术工艺操作简单，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a面氮化铝薄膜的剖面结构示意图。图2是本专利技术实施例1中将二硫化钼旋涂在衬底上的SEM照片。图3是本专利技术实施例1中生长氧化锌后的AFM照片。图4是本专利技术实施例1制备的a面氮化铝薄膜的XRD图，插图为a面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种a面氮化铝薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)在衬底表面制备二硫化钼涂层，得到二硫化钼覆盖的衬底；(2)在所述二硫化钼覆盖的衬底上沉积氧化锌，得到氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底；(3)利用反应溅射，在所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底上沉积氮化铝薄膜，即可得到所述a面氮化铝薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种a面氮化铝薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)在衬底表面制备二硫化钼涂层，得到二硫化钼覆盖的衬底；(2)在所述二硫化钼覆盖的衬底上沉积氧化锌，得到氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底；(3)利用反应溅射，在所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底上沉积氮化铝薄膜，即可得到所述a面氮化铝薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述衬底为蓝宝石、铝酸镧或碳化硅。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述二硫化钼涂层通过如下步骤制备得到：将二硫化钼旋涂于所述衬底上。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：步骤(2)中，所述ZnO缓冲层薄膜的厚度为5nm～40nm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述沉积利用金属有机化合物化学气相沉积。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述金属有机化合物化学气相沉积中，所采用的锌源为二乙基锌(DEZ)；所述锌源的流量为300～400μmol/min；所采用的氧源为氧气；所述氧源的流量为450...

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