[发明专利]生长在Cu衬底的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，特别是涉及一种生长在Cu衬底的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Cu作为外延AlN的衬底材料，具有三大其独特的优势。第一，金属Cu有很高的热导率(398W/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。第二，金属Cu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。第三，金属Cu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Cu衬底现已被尝试用作AlN外延生长的衬底材料。

但是金属Cu衬底化学性质的不稳定，当外延温度高于700℃的时候，外延氮化物会与金属Cu衬底之间发生界面反应，严重影响了外延薄膜生长的质量。III族氮化物外延生长的先驱研究者、著名科学家Akasaki等人就曾尝试应用传统的MOCVD或者MBE技术直接在化学性质多变的衬底材料上外延生长氮化物，结果发现薄膜在高温下外延相当困难。由此看来，要在金属Cu衬底进行AlN薄膜的生长，必须在较低的温度下进行。但如何在Cu衬底实现高质量AlN外延生长以获得高质量的生长在Cu衬底的AlN薄膜仍是一个技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生长在Cu衬底的AlN薄膜及其制备方法和应用，本发明采用的脉冲激光沉积技术生长AlN薄膜，由于脉冲激光照射能为薄膜前驱体提供了较高的动能，可以很大程度地降低AlN薄膜的生长温度；另外由于低温下，外延层与衬底之间的界面反应受到抑制，为在金属Cu衬底上外延生长AlN薄膜提供了重要的保证，从而获得晶体质量好的生长在Cu衬底的AlN薄膜。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

生长在Cu衬底的AlN薄膜，包括Cu衬底、AlN缓冲层和AlN薄膜，所述AlN缓冲层生长在Cu衬底上，所述AlN薄膜生长在AlN缓冲层上；所述Cu衬底以(111)面偏(100)方向0.5-1°为外延面。

优选的，所述AlN缓冲层的厚度为30-50nm，所述AlN薄膜的厚度为100-300nm。

生长在Cu衬底的AlN薄膜的制备方法，包括：

1)衬底以及其晶向的选取：采用Cu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的(0001)面平行于Cu的(111)面；

2)衬底表面处理：对Cu衬底表面进行抛光、清洗以及退火处理；

3)在步骤2)处理后的Cu衬底上依次进行AlN缓冲层、AlN薄膜的外延生长，即得所述生长在Cu衬底的AlN薄膜。

优选的，所述AlN缓冲层的外延生长工艺条件为：Cu衬底温度为400-500℃，反应室压力为6.0-7.2×10^-5Pa，生长速度为0.4-0.6ML/s。

优选的，所述AlN薄膜的外延生长工艺条件为：采用脉冲激光沉积技术生长工艺，Cu衬底温度为400-500℃，反应室压力为4.0-5.0×10^-5Pa，生长速度为0.6-0.8ML/s。