[发明专利]一种生长在金属Al衬底上的AlN薄膜及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种生长在金属Al衬底上的AlN薄膜，其特征在于：其包括Al衬底，Al衬底的(111)面为外延面上生长的Al₂O₃保护层以及在Al₂O₃保护层上外延生长的AlN薄膜层，其中Al₂O₃保护层与AlN薄膜层晶体外延取向关系为AlN(0001)//Al₂O₃(0001)//Al(111)；

所述生长在金属Al衬底上的AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底表面抛光、清洗、退火处理；

2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层Al层，待衬底温度为650-750℃时通入O₂至形成Al₂O₃层，保温，获得一层Al₂O₃保护层；

3)外延生长AlN薄膜：采用脉冲激光沉积在Al₂O₃保护层表面生长出AlN薄膜，其中，Al₂O₃保护层与AlN薄膜层晶体外延取向关系为AlN(0001)//Al₂O₃(0001)//Al(111)。

2.根据权利要求1所述的生长在金属Al衬底上的AlN薄膜，其特征在于：所述Al₂O₃保护层的厚度为15-25nm。

3.一种如权利要求2所述的生长在金属Al衬底上的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)衬底的处理：选择金属Al做衬底，并对衬底表面抛光、清洗、退火处理；

2)保护层生长：采用Al衬底的(111)面为外延面，在经过步骤1)处理后的金属Al衬底上铺一层Al层，待衬底温度为650-750℃时通入O₂至形成Al₂O₃层，保温，获得一层Al₂O₃保护层；

3)外延生长AlN薄膜：采用脉冲激光沉积在Al₂O₃保护层表面生长出AlN薄膜，其中，Al₂O₃保护层与AlN薄膜层晶体外延取向关系为AlN(0001)//Al₂O₃(0001)//Al(111)。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)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面，当没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法对衬底再进行抛光处理。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，清洗工艺为将衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除Al衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物；清洗后的衬底用纯度为99.9999％的干燥氮气吹干。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，退火的具体过程为：将衬底Al放在压强为2×10^-10Torr的UHV-PLD的生长室内，在450-550℃下高温烘烤1h以除去衬底表面的污染物，然后空冷至室温。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中衬底上的Al层的厚度为1-2nm。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)保温的时间为25-35分钟。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，采用脉冲激光沉积在Al₂O₃保护层表面生长出AlN薄膜的具体工艺为：将衬底温度降至450-550℃，用能量为3.0J/cm²以及重复频率为20Hz、λ＝248nm的KrF准分子激光PLD烧蚀AlN靶材，AlN靶材纯度为99.99％；其中，反应室压力为10mTorr，压力N₂的体积百分比为99.9999％，Ⅴ/Ⅲ比为50-60，控制AlN生长速度为0.4-0.6ML/s。

10.如权利要求1所述的生长在金属Al衬底上的AlN薄膜在制备声波谐振器、逻辑电路、发光二极管、太阳能电池、光电二极管、光电探测器、激光器中的应用。