[发明专利]一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用

说明书

 

技术领域

本发明涉及AlN薄膜领域，具体涉及一种生长在Si衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用。

 

背景技术

AlN是ⅢA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、介质击穿强度高等优异特性，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。另一方面，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。

 

发明内容

本发明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工艺参数的控制，获得高质量的AlN薄膜，并降低了制备成本。

本发明的另一目的在于提供上述AlN薄膜的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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(111)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(111)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℃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℃，真空度为10^-10Torr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650－750℃，反应室压力为10－15mTorr、V/III比为50－60、生长速度为0.4－0.6 ML/s。