一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生长在Si衬底上的AlN薄膜，其采用如下制备方法获得：采用Si衬底，选择Si衬底的（111）晶面为晶体取向，先在Si(111)晶面上生长出Al缓冲层，再外延生长AlN薄膜。本发明专利技术使用Si为衬底，同时采用脉冲激光沉积生长法在Si（111）衬底上生长AlN薄膜，AlN晶体择优取向生长，获得衬底与AlN之间很低的晶格失配度，极大地提高了AlN晶体的质量，适合应用在光电探测器、LED器件中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及AlN薄膜领域，具体涉及ー种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
AlN是III A族化合物，一般以六方晶系中的纤锌矿结构存在，有许多优异的性能，如高的热传导性、低的热膨胀系数、高的电绝缘性质、高的介质击穿强度、优异的机械强度、优异的化学稳定性和低毒害性、良好的光学性能等。由于AlN有诸多优异性能，带隙宽、极化强，禁带宽度为6. 2eV，使其在机械、微电子、光学，以及电子元器件、声表面波器件制造、高频宽带通信和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。目前，AlN的应用主要体现在以下几个方面压电材料、外延缓冲层材料、发光层材料。一方面，由于AlN材料具有电子漂移饱和速率高、热导率高、介质击穿強度高等优异特性，其在高频、高温、高压电子器件领域有着巨大的潜力，而纤锌矿结构的AlN薄膜具有高速率声波学的压电特性，其表面声学在已知压电材料中最高，并具有较大的机电耦合系数，因此AlN是用于制备高频表面波器件的优选材料。另ー方面，由于AlN具有高热导、低热膨胀以及较宽带隙的优点，而且与GaN晶格有较好的匹配，用AlN作为缓冲层可以有效提高GaN、InN外延薄膜的晶体质量，明显改善其电学与光学性能。另外，AlN可以作为蓝光紫外光的发光材料，如果进行掺杂或者制作复合膜，发光光谱将覆盖整个可见光区域。AlN薄膜必须具有较高的结晶质量，才能满足以上多方面的应用。目前常用于制备AlN薄膜的方法有化学气相沉积法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法以及分子束外延法等。然而，绝大多数的制备方法要求将衬底加热到较高的温度，但较高的温度可能会导致衬底材料的损伤，这是AlN薄膜制备的一大难题。并且，要达到生长高质量AlN晶体的要求，则需要复杂的设备仪器，造价昂贵，且单个薄膜的生长速度较慢，单个样品的成本过高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法，其通过选用合适的衬底及晶体方向以及エ艺參数的控制，获得高质量的AlN薄膜，并降低了制备成本。本专利技术的另一目的在于提供上述AlN薄膜的应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案一种生长在Si衬底上的AlN薄膜，其采用如下制备方法获得采用Si衬底，选择Si衬底的(111)晶面为晶体取向，先在Si(Ill)晶面上生长出Al缓冲层，再外延生长AlN薄膜。不同衬底上生长AlN薄膜，其性能不同，但各类衬底材料与AlN晶体间的晶格失配是影响薄膜生长质量的重要因素。在Si衬底上沉积AlN薄膜可以将其光电特性实用化、集成化。在Si(Ill)晶面上的Si原子具有类六角结构排列，适合直接生长AlN薄膜。优选地，在生长Al缓冲层之前，对衬底依次进行表面抛光、清洗、退火的前处理步骤。表面抛光的具体方法是将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，用光学显微镜观察衬底表面没有划痕后，采用现有技术的化学机械抛光法对衬底进行抛光处理。 清洗步骤的具体方法是将Si衬底先放在丙酮溶液中超声清洗，然后再放在去离子水中超声清洗；接着在异丙酮溶液中超声清洗；然后在氢氟酸溶液中超声清洗，再在去离子水中浸泡；再将Si衬底放在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡；最后将Si衬底放入氢氟酸中浸泡，用去离子水冲洗，氮气吹干，放入氮气柜内。退火的具体方法是将Si衬底放在超高真空的生长室内，在900 — 1000°C下烘烤3 — 5h去除表面的污染物，然后空冷至室温。通过以上的退火处理后，可使衬底获得原子级平整的表面，有利于生长高质量AlN薄膜。采用分子束外延生长法生长Al缓冲层，衬底的温度为500 — 600°C，真空度为KTiciTorr 以上。采用脉冲激光沉积生长法外延生长AlN薄膜，衬底温度为650 — 7500C，反应室压カ为 10 — 15mTorr、V/III 比为 50 — 60、生长速度为 0. 4 — 0. 6 ML/s。采用分子束外延生长法与脉冲激光沉积生长法相结合，先利用分子束外延生长Al缓冲层，再利用脉冲激光沉积外延生长法生长AlN薄膜，能够提高外延生长的效率，根据基材的特性择优选择外延方法，有利于外延层的质量的提高。另外，AlN薄膜与Si衬底之间的晶格失配度高达19%，热膨胀系数相差44%，还存在界面扩散等问题，导致直接在Si衬底上生长的AlN薄膜晶体的质量较差、缺陷密度高，从而降低了 AlN薄膜基器件的发光效率，难以达到光电器件的要求。而通过降低生长温度，有效抑制了传统金属有机化学气相沉积エ艺(MOCVD)生长氮化物的高温条件(一般都在1000°C以上)对衬底与AlN晶格失配度和热膨胀系数失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低，提高了 AlN薄膜的品质。此外，エ艺參数及氧含量等因素均会影响获得的AlN晶体的质量，当氧含量较高时，氧极易和铝反应，生成氧化物进入AlN薄膜的晶格结构中形成缺陷，从而降低了 AlN基器件的发光效率。为了减小氧对薄膜结构的影响，采取上述的エ艺參数，控制真空度、反应室所压、排气时间等，能够获得高质量的AlN薄膜。优选地，Al缓冲层的厚度为3 — 5nm。可以通过RHEED检测，控制该层的生长情况。本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜可以应用在光电探测器、LED器件中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是1、使用Si为衬底，同时采用脉冲激光沉积生长法在Si (111)晶面上生长AlN薄膜，AlN晶体择优取向生长，获得衬底与AlN之间很低的晶格失配度,极大地提闻了 AlN晶体的质量。2、采用了脉冲激光沉积生长法生长AlN薄膜，既为低温生长AlN提供基础，又可有效缩短氮化物的形核时间，保证所获得的AlN薄膜的単一性。3、采用分子束外延生长法与脉冲激光沉积外延生长法相结合，先利用分子束外延技术生长Al缓冲层，再利用脉冲激光沉积外延技术生长AlN薄膜，提高了外延生长的效率，根据基材的特性择优选择外延方法，有利于外延层质量的提高。同时，通过降低生长温度，有效抑制了传统金属有机化学气相沉积エ艺(MOCVD)生长氮化物的高温条件(一般都在IOOO0C以上)对衬底与AlN的晶格失配度和热膨胀系数失配度的放大作用，使氮化物薄膜缺陷降低。4、Si作为衬底，容易获得，价格便宜，且采用了低温生长技术，有利于降低生产成本。综上所述，本专利技术的制备エ艺独特而易行，生产成本低，获得的AlN薄膜具有缺陷密度低、晶体质量高、电学和光学性质优异的优点。 附图说明图1为本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜的结构示意 图2为本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜的X射线面扫描图谱； 图3为本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜的(002)面X射线回摆曲线 图4为本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜的GIXR图谱； 图5为本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜应用在LED器件中的示意 图6为本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜应用在光电探测器中的示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例子对本专利技术作进ー步详细说明。实施例1 请參照图1，本专利技术的生长在Si衬底上的AlN薄膜包括Si衬底层11、生长在Si衬底层11上的AlN薄膜层12。所述AlN薄膜层12为单晶薄膜层或多晶薄膜层。该生长在Si衬底上的AlN薄膜采用如下方法制得 (I)衬底及晶向的选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于：采用Si衬底，选择Si衬底的（111）晶面为晶体取向，先在Si(111)晶面上生长出Al缓冲层，再外延生长AlN薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于采用Si衬底，选择Si衬底的(111)晶面为晶体取向，先在Si(Ill)晶面上生长出Al缓冲层，再外延生长AlN薄膜。2.如权利要求1所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于在生长Al缓冲层之前，对衬底依次进行表面抛光、清洗、退火的前处理步骤。3.如权利要求2所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，表面抛光的具体方法是将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，用光学显微镜观察衬底表面没有划痕后，采用现有技术的化学机械抛光法对衬底进行抛光处理。4.如权利要求2所述的生长在Si衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，清洗步骤的具体方法是将Si衬底先放在丙酮溶液中超声清洗，然后再放在去离子水中超声清洗；接着在异丙酮溶液中超声清洗；然后在氢氟酸溶液中超声清洗，再在去离子水中浸泡；再将Si衬底放在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡；最后将Si衬底放入氢氟酸中浸泡,用去离子水冲洗，氮气吹干，放入氮气柜内。5.如权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：广州市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：