一种高介电常数高Q值的AlN介质薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高介电常数高Q值的AlN介质薄膜及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：S1：加热蓝宝石衬底，并在高纯氮气生长空间、以1.2～1.6J/cm

【技术实现步骤摘要】
一种高介电常数高Q值的AlN介质薄膜及其制备方法
本专利技术涉及单晶薄膜制备
，尤其涉及一种高介电常数高Q值的AlN介质薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着5G移动通信、新能源汽车、高速列车、光伏、风电、智慧电网等创新
的高速发展，对应用其中的电子器件的损耗特性、功率容量、工作频率、集成度等特性也有了更进一步的要求。与硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等第一、二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等特点，其器件具有高频、大功率、低损耗、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优势，可以被广泛应用于半导体照明、射频器件、电力电子器件、激光器和探测器等领域。氮化铝(AlN)是一种直接带隙的第三代半导体材料。AlN的禁带宽度是Ⅲ-Ⅴ族半导体中最宽的，室温下对应的禁带宽度约为6.2eV，带间跃迁发射波长可进入深紫外波段，是紫外/深紫外光电器件的理想材料。另外，AlN具有声表面波传输速度高、压电性良好、温度系数低、固有损耗小、能够与标准CMOS工艺相兼容等特点，因而成为了无源传感、无线传感和移动信号处理的关键部件。在无线通信技术不断发展的未来，基于AlN的SAW传感器、谐振器和滤波器，在实现小型化、多功能和高性价比方面有望取代传统半导体器件。目前生长AlN薄膜的制备方法主要有分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相沉积(MOCVD)、磁控溅射法、化学气相沉积法(CVD)和脉冲激光沉积(PLD)等。MBE制备的AlN大多是用来制备量子点、或是量子阱，且MBE生长效率低、设备维护成本高，无法进行大规模工业生产，主要用于前沿科学的探索。MOCVD是目前常用于制备氮化物薄膜的方法，它适用于大面积生长薄膜，而且生长速度快。但是在生长材料和高组分的时较为困难，因为在低压下生长薄膜时，三甲基铝源会与氨气发生强烈不可逆预反应，原子难以并入晶格，导致生长速率下降，材料晶体质量降低。磁控溅射通过电磁场加速的电子或二次电子轰击靶材，溅射生长薄膜。磁控溅射生长速度快，但是生长的薄膜基本上是多晶。多晶AlN中存在的晶界和缺陷会对声波产生吸收或散射，从而导致声波传输损耗增加。另外，多晶AlN薄膜通常存在一定厚度的非晶过渡区，这段区域对于压电转换并无贡献，随着工作频率升高，压电层制作得越来越薄，择优取向的压电膜层厚度与非晶区域过渡厚度之比将会减小，这将导致射频器件的Q值降低，插入损耗变大。从加工的角度分析，单晶AlN的化学性质更加稳定，在微纳加工中的工艺窗口更宽。因此，相较于多晶AlN，尤其是具备高介电常数、高Q值的单晶AlN在射频器件的应用中更具优势。但是，目前尚没有一种能制备高介电常数、高Q值的单晶AlN介质薄膜的制备方法。
技术实现思路
基于此，为了克服现有技术的缺陷和不足，本专利技术提供了一种能制备高介电常数、高Q值的AlN介质薄膜的制备方法。本专利技术提供了一种高介电常数高Q值的AlN介质薄膜的制备方法，包括如下步骤：S1：加热蓝宝石衬底，并在高纯氮气生长空间、以1.2～1.6J/cm2的激光能量密度，在所述蓝宝石衬底上采用脉冲激光溅射AlN靶材；S2：待AlN薄膜在所述蓝宝石衬底上沉积完成，原位退火后，再冷却至室温，得到单晶AlN介质薄膜。相对于现有技术，本专利技术选择生产技术成熟、器件质量较好，机械强度高，易于处理和清洗，且稳定性很好，能够运用在高温生长的蓝宝石衬底；再采用1.2～1.6J/cm2高激光能流密度、高衬底温度对AlN靶材进行脉冲激光溅射；有利于AlN介质薄膜在(0002)取向择优生长，表面致密且连续，形成的单晶AlN介质薄膜具有很好的外延性和结晶性。且制备的单晶AlN介质薄膜具有较高的介电常数(约为16-17，远高于现有技术报道的9-10)和较高的Q值(约为150)。因此，本专利技术采用高能量激光束刻蚀AlN靶材，能够提高单晶AlN介质薄膜表面原子迁移率，有利于改善单晶AlN介质薄膜的生长质量，形成单一取向，且具备高介电常数、高Q值的单晶AlN介质薄膜。本专利技术所述单晶AlN介质薄膜的制备方法过程简单，易操作，容易实现工业化批量生产。进一步地，在步骤S1之前，还包括清洁蓝宝石衬底；所述清洁蓝宝石衬底的具体步骤为：先用有机溶剂超声清所述洗蓝宝石衬底12～16min，再用去离子水冲洗；然后将所述蓝宝石衬底放入浓H2SO4与浓H3PO4以体积比为3:1的混合溶液中煮沸8～10min，再用去离子水冲洗；最后用氮气吹干备用。由于蓝宝石衬底表面的平整度对单晶AlN介质薄膜生长的平整度有很大的影响，本专利技术选取三种液体清洗和处理蓝宝石衬底表面。先将蓝宝石衬底放入丙酮、异丙酮、或酒精等有机溶剂中超声清洗，随后用去离子水冲洗衬底；可以去除蓝宝石衬底表面的有机杂质和大颗粒杂质，从而减小外延AlN介质薄膜生长过程中位错和缺陷生成的几率。进一步，再将蓝宝石衬底放入浓H2SO4与浓H3PO4的混合酸溶液中煮沸，随后用去离子水冲洗衬底，最后用氮气吹干；可以有效去除衬底表面存在的金属离子等带电粒子，从而避免器件工作时出现击穿、电压降低、漏电等不良现象。进一步地，在步骤S1中，所述AlN靶材为纯度为99.99％的AlN陶瓷靶材。本专利技术选用纯度为99.99％的AlN陶瓷靶材作为前驱体。AlN溅射靶材的纯度对单晶AlN介质薄膜的性能影响比较大，如果AlN靶材纯度不够，在激光溅射的作用下，靶材中的杂质颗粒会附着在衬底表面，造成部分位置的单晶AlN介质薄膜膜层不牢固，出现脱膜的现象。因此，AlN靶材的纯度越高，所制备单晶AlN介质薄膜的性能越好。进一步地，在步骤S1中，所述能量密度为1.5J/cm2。在最优能量密度1.5J/cm2下制备的单晶AlN介质薄膜表面致密、均匀；因为溅射离子到达基底后，生成相对平整、光滑的薄膜。而后若入射离子动能的增加，原子在基底表面的迁徙速度增加，加速了离子间的结合，更易形成自由能较低的大颗粒，使薄膜表面粗糙度增加。进一步地，在步骤S1中，所述生长空间内先抽真空达到10-4Pa的真空度，然后通入高纯氮气，使得氮气压力达到7×10-4～9×10-4Pa。进一步地，在步骤S1中，采用逐步升温加热蓝宝石衬底，升温速率为8～10℃/min。逐步升温有助于保护蓝宝石衬底，防止因为骤然升温造成蓝宝石衬底出现裂痕，影响最终得到的单晶AlN介质薄膜的性能和质量。进一步地，在步骤S2中，所述原位退火30min后，采用逐步降温冷却至室温，降温速率为3～5℃/min。原位退火30min有利于单晶AlN介质薄膜恢复晶体结构、并消除单晶AlN介质薄膜内部缺陷；逐步降温有助于稳定单晶AlN介质薄膜的质量。进一步地，在步骤S1中，靶间距调整至5cm，激光能流频率为5Hz，蓝宝石衬底的加热温度为700～800℃。设置合适的蓝宝石村底温度、靶间距离、激光能量和频率，有利于沉积致密、平整的单晶AlN介质薄膜。本专利技术还提供了一种单晶AlN介质薄膜，由所述高介电常数高Q值的AlN介质薄膜的制备方法获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高介电常数高Q值的AlN介质薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：/nS1：加热蓝宝石衬底，并在高纯氮气生长空间内、以1.2～1.6J/cm

【技术特征摘要】
1.一种高介电常数高Q值的AlN介质薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
S1：加热蓝宝石衬底，并在高纯氮气生长空间内、以1.2～1.6J/cm2的激光能量密度，在所述蓝宝石衬底上采用脉冲激光溅射AlN靶材；
S2：待AlN薄膜在所述蓝宝石衬底上沉积完成，原位退火后，再冷却至室温，得到单晶AlN介质薄膜。


2.根据权利要求1所述高介电常数高Q值的AlN介质薄膜的制备方法，其特征在于：在步骤S1之前，还包括清洁蓝宝石衬底；所述清洁蓝宝石衬底的具体步骤为：先用有机溶剂超声清所述洗蓝宝石衬底12～16min，再用去离子水冲洗；然后将所述蓝宝石衬底放入浓H2SO4与浓H3PO4以体积比为3:1的混合溶液中煮沸8～10min，再用去离子水冲洗；最后用氮气吹干备用。


3.根据权利要求2所述高介电常数高Q值的AlN介质薄膜的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述AlN靶材为纯度为99.99％的AlN陶瓷靶材。


4.根据权利要求3所述高介电常数高Q值的AlN介质薄膜的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述能量密度为1....

【专利技术属性】
技术研发人员：陆旭兵，成佳运，樊贞，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44