[发明专利]在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法和应用

权利要求书

1.一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法，其特征在于，所述方法利用同一Al金属靶，在纤锌矿AlN基薄膜表面原位生长金属Al薄膜，随后将金属Al薄膜原位氧化为超薄致密的Al₂O₃层对其下的AlN基压电、铁电薄膜进行完全覆盖保护，得到在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层。

2.根据权利要求1所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将清洗后的单晶衬底或者表面生长有(111)织构化底电极薄膜的衬底放置于真空设备的样品台上；

步骤二：整个过程采用同一Al金属靶，添加Sc、Y、B作为掺杂元素靶，在Ar、N₂混合气氛或纯N₂气氛下，采用磁控溅射技术在步骤(一)的衬底上沉积具有(0002)织构化组织结构的纤锌矿AlN基压电、铁电薄膜；随后在同一个腔室，在纯Ar气氛下，继续采用磁控溅射技术在AlN基薄膜表面原位沉积厚度为2-5纳米的金属Al薄膜；最后对该金属Al薄膜在同一真空腔室内进行原位氧化处理，使其转变为非晶态、致密的Al₂O₃薄层完全覆盖在其下的纤锌矿AlN基压电、铁电薄膜上。

3.根据权利要求2所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法，其特征在于，所述的磁控溅射技术可替换为激光脉冲沉积技术。

4.根据权利要求2所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法，其特征在于，所述的单晶衬底采用蓝宝石、Si、Ge、GaN或其他III-V族半导体材料中的一种；所述的(111)织构化底电极薄膜包括铂、钼、氮化钛、氮化钽中的一种，厚度为50-150nm。

5.根据权利要求2所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法，其特征在于，所述的AlN基薄膜厚度为50～1500nm；所述的Al₂O₃薄层的厚度为2-5nm。

6.根据权利要求2所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法，其特征在于，所述的工艺参数包括靶基距、氩气与氮气的比例、溅射功率、基底温度、工作气压：

沉积(0002)织构化组织结构的纤锌矿氮化铝基薄膜的工艺参数具体为：靶基距为80～120mm；Ar:N₂＝(0-20):(20-50)sccm；溅射功率：50-300W；基底温度为室温～400℃；工作气压为0.4～0.8Pa；溅射时间：30-200min；

在氮化铝基薄膜表面沉积金属铝薄膜的工艺参数具体为：靶材为单质金属铝靶，靶基距为80～120mm；Ar气流量20-50sccm；溅射功率：50-80W；基底温度为室温～400℃；工作气压为0.4～0.8Pa；溅射时间：1-3min。

7.根据权利要求2所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的方法，其特征在于，所述的原位氧化处理工艺为在真空腔室内通入高纯氧气、利用样品台加热的热氧化，和对通入真空腔室内的高纯氧气进行放电电离的等离子体氧化；

原位氧化处理的工艺参数具体为：真空腔室保持低于一个大气压的负压状态，基底温度为室温～400℃，氧化时间：1-3min。

8.一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的应用，其特征在于，所述的保护层由权利要求1-7任一所述的方法制备得到，采用热蒸发或溅射法，在已沉积具有(0002)织构化组织结构的纤锌矿AlN基压电、铁电薄膜的衬底上制备顶电极，对于衬底表面生长有底电极的样品得到金属-电介质-金属(MIM)结构电容器。

9.根据权利要求8所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的应用，其特征在于，所述的顶电极采用高导电性金属Au、Pt、Al、Cu和TiN中的一种。

10.根据权利要求8所述的一种在纤锌矿氮化铝基薄膜表面原位生长超薄氧化铝保护层的应用，其特征在于，所述的顶电极的厚度为80-150nm。