[发明专利]一种生长在金属铝衬底上的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，具体涉及一种生长在金属铝衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

AlN是一种III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，使其在电子器件、集成电路封装、光学膜及散热装置中都有广泛的应用

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AlN薄膜器件大都是生长在蓝宝石衬底上。首先，AlN和蓝宝石的存在较大的晶格失陪度，导致外延AlN薄膜过程中形成很高的位错密度，从而降低了AlN的性能；其次，AlN与蓝宝石之间的热失配度较大，当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。最后，由于蓝宝石的热导率低(100℃时为25W/m·K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。

因此迫切寻找一种热导率高可以快速地将器件内的热量传递出来的衬底材料。而金属Al作为外延AlN的衬底材料，具有四大其独特的优势。第一，可在金属表面采用氮的等离子体氮化Al衬底表面，在衬底表面形成AlN为后面生长AlN提供形核的种子。有效的缓解了晶格失配带来的弊端。第二，金属Al有很高的热导率(237W/m·K)，可以将器件内产生的热量及时的传导出，以降低器件的温度，提高器件的性能。第三，金属Al可以作为生长AlN基垂直结构的器件的衬底材料，可直接在衬底上镀阴极材料，在阳极上镀阳极材料，使得电流几乎全部垂直流过外延层，因而电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，电流产生的热量减小，对器件的散热有利。第四，金属Al衬底材料相对其他衬底，价格更便宜，可以极大地降低器件的制造成本。正因为上述诸多优势，金属Al衬底现已被尝试用作AlN外延生长的衬底材料。

但是金属Al衬底在化学性质不稳定，当外延温度高于620℃的时候，外延氮化物会与金属Al衬底之间发生界面反应，严重影响了外延薄膜生长的质量。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的在于提供一种生长在金属铝衬底上的AlN薄膜，提高AlN薄膜的质量、扩大应用范围。

本发明的另一目的在于提供一种生长在金属铝衬底上的AlN薄膜的其制备方法，采用的脉冲激光沉积法生长AlN薄膜，降低AlN薄膜的生长温度，提高AlN薄膜的质量。

本发明的又一目的在于提供生长在金属铝衬底上的AlN薄膜在制备LED器件以及光电探测器中的应用。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案如下：

一种生长在金属铝衬底上的AlN薄膜，其包括金属Al衬底、生长在金属Al衬底上的AlN氮化层以及生长在AlN氮化层上的AlN薄膜；所述金属Al衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为AlN(0001)//Al(111)。

在本发明中氮化层可以提供模板，为接下来外延生长高质量AlN薄膜奠定基础，因此，作为本发明的一种优选的方案，所述AlN氮化层的厚度为5～10nm。

作为本发明的一种优选的方案，所述AlN薄膜的厚度为100～300nm。

一种生长在金属Al衬底上的AlN薄膜的制备方法，其包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用金属Al衬底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面；

(2)衬底处理：将金属Al衬底表面抛光、清洗以及退火处理；

(3)AlN氮化层的外延生长：衬底温度调为500～600℃，在反应室的压力为6.0～7.2×10^-5Pa的氮的等离子体气氛内，用氮的等离子体氮化处理金属Al衬底，在金属Al衬底表面生成一层AlN氮化层；

(4)AlN薄膜的外延生长：采用脉冲激光沉积生长工艺，在步骤(3)得到的AlN氮化层上生长AlN薄膜；

在上述方法中，发明人研究发现，在500～600℃生长AlN氮化层，可以有效的抑制衬底和薄膜之间的界面反应，同时为氮化生成AlN氮化层提供足够多的生长能量。

作为本发明的一种优选的方案，步骤2)中，抛光具体工艺为：将Al衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合显微镜观察衬底表当没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底进行抛光处理。