【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体材料，特别是涉及氮化铝单晶薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
1、氮化铝(aln)是一种重要的ⅲ-ⅴ族氮化物半导体，具有六方纤锌矿结构，由于具有超宽直接带隙(6.2ev)、高热导率、优异的压电性能和极高声表面波传输速度，使得aln在紫外发光器件、压电器件和声表面波器件制造领域有着广阔的应用前景。此外，aln还具有与gan、algan等其他ⅲ-v族氮化物材料接近的晶格常数和热膨胀系数。因此，在ⅲ-v族氮化物材料外延领域，aln成为了首选的缓冲层材料，可以有效的提高氮化物外延薄膜的晶体质量和各项性能。
2、目前，aln薄膜生长的常用方法为金属有机化学气相沉积(mocvd)和反应磁控溅射。其中，mocvd虽然可以大面积快速生长aln薄膜，但是生长所使用的气体源成本高，生长所需温度高，因此，对单晶衬底的选择性有限。相比之下，反应磁控溅射使用金属al靶材，在氮气气氛下溅射沉积生长aln，对于温度和衬底的选择要求大大降低，生长成本降低，同时反应磁控溅射也能获得高质量的aln外延薄膜。
3、然而，由于aln薄膜生长对于衬底的要求较高，需要与衬底有较小的晶格失配和热失配，并且不能与表面产生界面反应，使得目前只能采用蓝宝石单晶衬底和碳化硅单晶衬底，可选衬底较少。同时，在采用反应磁控溅射生长aln薄膜的工艺中，由于生长条件窗口较窄，若非最优条件下，很容易生长为多晶薄膜，从而很难生长单一取向的外延薄膜；虽然研究发现使用al作为缓冲层可以促进形核，降低aln生长难度，但是al原子在衬底表面的迁移率非常低，容易
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种氮化铝单晶薄膜及其制备方法和应用；该制备方法能够使用反应磁控溅射工艺在更多的衬底上生长氮化铝单晶薄膜，同时提高氮化铝单晶薄膜的结晶质量和表面平整度。
2、一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，包括：
3、提供单晶衬底，所述单晶衬底的材料选自晶面取向为(0001)的蓝宝石、晶面取向为(111)的氧化镁、晶面取向为(111)的钛酸锶、晶面取向为(111)的单晶硅、晶面取向为(0001)的氮化铝、晶面取向为(0001)的氮化镓或晶面取向为(0001)的碳化硅中的至少一种；
4、采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层，其中，所述氮化钛单晶缓冲层的外延取向为<111>；
5、采用反应磁控溅射工艺在所述氮化钛单晶缓冲层表面外延生长氮化铝单晶薄膜，其中，所述氮化铝单晶薄膜的外延取向为<0001>。
6、在其中一个实施例中，采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层的步骤中，所述单晶衬底的温度为950℃-1100℃，工作气体为氮气，气体流量为3sccm-10sccm，溅射气压为10mtorr-30mtorr，溅射功率为100w-200w，溅射靶材为金属ti靶，溅射时间为0.5h-10h。
7、在其中一个实施例中，采用反应磁控溅射工艺在氮化钛单晶缓冲层表面外延生长氮化铝单晶薄膜的步骤中，带有氮化钛单晶缓冲层的单晶衬底的温度为850℃-950℃，工作气体为氮气和氩气的混合气体，氮气和氩气的流量比为1:1-1:9，气体流量为1sccm-5sccm，溅射气压为15mtorr-25mtorr，溅射功率为70w-80w，溅射靶材为金属al靶，溅射时间为0.5h-8h。
8、在其中一个实施例中，采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层的步骤中，所述单晶衬底和溅射靶材之间的距离为15cm-20cm；
9、及/或，采用反应磁控溅射工艺在氮化钛单晶缓冲层表面外延生长氮化铝单晶薄膜的步骤中，带有所述氮化钛单晶缓冲层的单晶衬底和溅射靶材之间的距离为12cm-16cm。
10、在其中一个实施例中，所述氮化钛单晶缓冲层的厚度为10nm-150nm。
11、在其中一个实施例中，所述氮化铝单晶薄膜的厚度为5nm-1μm。
12、在其中一个实施例中，在采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层之前，对所述单晶衬底进行预处理，预处理的步骤为：将单晶衬底分别用丙酮、酒精、去离子水清洗2min-10min，再用氮气吹干。
13、一种氮化铝单晶薄膜，由如上述所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法制备得到。
14、一种如上述所述的氮化铝单晶薄膜在压电器件中的应用。
15、一种如上述所述的氮化铝单晶薄膜在声表面波器件中的应用。
16、本专利技术的氮化铝单晶薄膜的制备方法中，通过采用反应磁控溅射工艺在特定晶面取向的单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层，且所述氮化钛单晶缓冲层的外延取向为<111>，一方面，该氮化钛单晶缓冲层晶面中的原子排列和氮化铝(0001)晶面的原子排列同为六重对称性，且二者之间的晶格失配度小，使氮化铝材料能够沿着氮化钛单晶的晶面的原子排列方式继续生长，实现了氮化铝在更多衬底上的外延生长，且能够在更多衬底上择优制备成外延取向为<0001>的氮化铝单晶薄膜；另一方面，该氮化钛单晶缓冲层表面平整度高，便于氮化铝的外延生长，进一步提高了氮化铝单晶薄膜的结晶质量和表面平整度。
17、因此，本专利技术的氮化铝单晶薄膜的制备方法能够使用反应磁控溅射工艺在更多衬底上生长氮化铝单晶薄膜，同时提高氮化铝单晶薄膜的结晶质量和表面平整度。
18、另外，由于氮化铝单晶薄膜的外延取向为<0001>，从而使得氮化铝单晶薄膜能够具有最大的压电系数以及最快的声波转播速度，使其能够更好的应用于压电器件或者声表面波器件。
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1.一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层的步骤中，所述单晶衬底的温度为950℃-1100℃，工作气体为氮气，气体流量为3sccm-10sccm，溅射气压为10mTorr-30mTorr，溅射功率为100W-200W，溅射靶材为金属Ti靶，溅射时间为0.5h-10h。
3.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，采用反应磁控溅射工艺在氮化钛单晶缓冲层表面外延生长氮化铝单晶薄膜的步骤中，带有氮化钛单晶缓冲层的单晶衬底的温度为850℃-950℃，工作气体为氮气和氩气的混合气体，氮气和氩气的流量比为1:1-1:9，气体流量为1sccm-5sccm，溅射气压为15mTorr-25mTorr，溅射功率为70W-80W，溅射靶材为金属Al靶，溅射时间为0.5h-8h。
4.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层的步骤中，所述
5.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述氮化钛单晶缓冲层的厚度为10nm-150nm。
6.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述氮化铝单晶薄膜的厚度为5nm-1μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，在采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层之前，对所述单晶衬底进行预处理，预处理的步骤为：将单晶衬底分别用丙酮、酒精、去离子水清洗2min-10min，再用氮气吹干。
8.一种氮化铝单晶薄膜，其特征在于，由如权利要求1-7任一项所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法制备得到。
9.一种如权利要求8所述的氮化铝单晶薄膜在压电器件中的应用。
10.一种如权利要求8所述的氮化铝单晶薄膜在声表面波器件中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，采用反应磁控溅射工艺在所述单晶衬底表面外延生长氮化钛单晶缓冲层的步骤中，所述单晶衬底的温度为950℃-1100℃，工作气体为氮气，气体流量为3sccm-10sccm，溅射气压为10mtorr-30mtorr，溅射功率为100w-200w，溅射靶材为金属ti靶，溅射时间为0.5h-10h。
3.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，采用反应磁控溅射工艺在氮化钛单晶缓冲层表面外延生长氮化铝单晶薄膜的步骤中，带有氮化钛单晶缓冲层的单晶衬底的温度为850℃-950℃，工作气体为氮气和氩气的混合气体，氮气和氩气的流量比为1:1-1:9，气体流量为1sccm-5sccm，溅射气压为15mtorr-25mtorr，溅射功率为70w-80w，溅射靶材为金属al靶，溅射时间为0.5h-8h。
4.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏冠华，曹彦伟，张如意，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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