[发明专利]生长在Si衬底上的AlGaN薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及金属有机化学气相沉积法联合脉冲激光沉积法合成膜的技术领域，具体涉及一种生长在Si衬底上的AlGaN薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

Si是生长GaN外延片的常用衬底，与传统蓝宝石衬底相比，有许多优点，如成本低、尺寸大，因此在降低LED成本、推广产品应用方面具有很大潜力。但由于GaN和Si之间存在较大的晶格失配(约17％)和巨大的热失配(约54％)，实现Si衬底上高质量GaN薄膜的生长较为困难。此外，外延材料容易产生微裂纹，难以满足器件质量要求。

AlGaN是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物，其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。研究表明：在Si衬底上引入渐变AlGaN缓冲层，能有效缓解GaN薄膜的应力情况。GaN的晶格常数比Si小，通常，Si上生长的GaN薄膜受到张应力；而AlGaN的晶格常数比GaN小，在AlGaN上随后生长的GaN会受到压应力，这就很好地补偿了张应力的影响，使薄膜应力得到缓解，裂纹问题继而得到解决。

上述应用中，结晶质量较高、界面性能好的AlGaN薄膜是关键。目前制备AlGaN薄膜的常用方法是化学气相沉积工艺，该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；同时，高温下衬底表面的Si会扩散到外延材料中，与Ga形成Si-Ga-N合金，造成AlGaN薄膜界面被腐蚀。相比较下，低温生长条件的脉冲激光沉积工艺能弥补化学气相沉积法的缺点，但碍于用该方法生长AlGaN薄膜需要高纯度的AlGaN靶材，目前市场上AlGaN靶材少，价格昂贵，且难以达到99.9％的纯度要求，使得采用脉冲激光沉积工艺生长AlGaN薄膜难以实现。

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Si衬底上的AlGaN薄膜，提高AlGaN薄膜的质量和界面性能。

本发明的第二个目的在于提供一种生长在Si衬底上的AlGaN薄膜的制备方法，解决Si衬底上GaN薄膜的裂纹问题的同时提高AlGaN薄膜的质量、纯度和界面性能，并降低工艺成本。

本发明的第三个目的在于提供上述生长在Si衬底上的AlGaN薄膜在制备光电探测器或LED器件中的应用。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

生长在Si衬底上的AlGaN薄膜，其包括Si衬底和在Si衬底上外延生长的AlGaN薄膜；所述Si衬底的晶体取向为111面偏100方向0.5-1°。

在上述方案的基础上，作为优选的，所述AlGaN薄膜厚度≥30nm。

生长在Si衬底上的AlGaN薄膜的制备方法，其顺次包括以下步骤：

1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，选取111面偏100方向0.5-1°的晶体取向；

2)采用金属有机化学气相沉积工艺生长Al原子层；

3)对Al原子层进行氮化处理；

4)采用脉冲激光沉积工艺生长AlGaN薄膜。

在上述方案的基础上，作为优选的，在步骤1)之后、步骤2)之前还包括了对衬底依次进行表面清洗和退火处理。其中所述表面清洗具体步骤为：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。所述退火处理是将衬底放在超高真空的生长室内，在1000-1100℃下烘烤5-15min。

在上述方案的基础上，作为优选的，步骤2)生长Al原子层过程中，衬底温度为860-960℃，反应室压力为50-100torr，通入TMAl，流速为200-250sccm，铺2-3层Al原子层，隔绝Si衬底与NH₃。通过隔绝Si衬底与NH₃能有效防止生成SiN_x。

在上述方案的基础上，作为优选的，步骤3)对Al原子层进行氮化处理过程中，衬底温度为860-960℃，反应室压力为50-100torr，通入NH₃，流速为5-15slm，氮化时间3-6min。

在上述方案的基础上，作为优选的，步骤4)生长AlGaN薄膜过程中，衬底温度降至650-750℃，采用脉冲激光轰击Ga靶材，通入N等离子体，射频功率为200-300W，反应室压力为3×10^-5-5×10^-5torr、激光能量为120-180mJ，激光频率为10-30Hz。