專利名稱：一種Al<sub>X</sub>In<sub>1-X</sub>N薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氮化物光電薄膜材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種Alxim.xN薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
三族氮化物半導(dǎo)體材料被認(rèn)為是最有潛力的光電材料，因?yàn)樗麄兙哂袑挿旱目烧{(diào)直
接帶隙，特別是隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，生長的InN晶體質(zhì)量和性能已得到大幅度提高[中 國專利02145107.9]，實(shí)驗(yàn)觀測到InN薄膜在室溫下有效帶隙為0.7eV(App1. Phys. Lett. 2002, 80: 3967-3969)，使得該族半導(dǎo)體材料的直接帶隙能從0.7eV(InN)到6.28eV(AlN) 變化，較小的帶隙意味著基于三族氮化物的光電子設(shè)備的發(fā)光范圍從深紫外(A1N)到 近紅外(InN)區(qū)域，從而擴(kuò)大了它們在光電器件方面的應(yīng)用范圍，此外，該族半導(dǎo)體 材料還具有高熱傳導(dǎo)性、高電子飽和速率等優(yōu)良性質(zhì)。
由于AlN和InN之間的共價(jià)鍵長及熱穩(wěn)定性不匹配，使得生長二元合金AlxIm《N時(shí)發(fā) 生相變，再者生長AlJm-xN時(shí)會(huì)產(chǎn)生晶格失配，因此AWm.xN薄膜的制備困難較大(J. Crystal Growth, 2004,272 : 381; Appl. Phys. Lett. 2005， 86: 031107; Appl. Phys. Lett. 2005, 86: 111911; Appl. Phys. Lett. 2006, 89: 062106; Jpn. J. Appl. Phys. 2006, 45: L539; Superlattices Microstmct. 2006, 40: 369—372; J. Appl. Phys. 2008, 103: 073510; Journal of Crystal Growth, 2008, in press)。 Guo等(Proc. SPIE 1994， 362:2364)首次報(bào)道了用金屬 有機(jī)氣相外延法(MOVPE)制備了含Al較低的AlxIm.xN薄膜(0<x<0.14)，繼后Kim等
(Appl. Phys. Lett. 1997, 71:800)用同樣方法生長了含Al較高的AlxIm.xN薄膜
(0.92<x<0.99)，直到2000年，Yamaguchi等(Appl. Phys. Lett. 2000,76:876 )以720。C為生 長溫度用金屬有機(jī)氣相外延法在GaN表面成功制備了含Al居中的AUm.xN薄膜
(0.42<x<0.86)。 Peng等(Appl. Phys. Lett. 1997， 71:17)采用濺射法直接于襯底表面生 長了全范圍多晶AlxIm.xN薄膜(0<x<l),襯底采用硅、石英或玻璃，生長過程中襯底溫 度維持200'C，其所制備的薄膜以Alo.64lno.36N晶體結(jié)構(gòu)最好，但其X射線衍射圖中除了
(002)衍射峰，還有(102)、 (103)衍射峰出現(xiàn)，擇優(yōu)取向欠佳。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備Alxlm-xN薄膜的新方法，此 種方法制得的Alxim.xN薄膜不僅晶體擇優(yōu)取向好，而且晶粒尺寸大，方塊電阻低，光學(xué)帶隙適中。
本發(fā)明所述AlJm.xN (0<X<1)薄膜的制備方法，工藝步驟依次如下
(1) 襯底的處理
在常溫、常壓下將襯底清洗干凈后置于氮?dú)猸h(huán)境中吹干；
(2) 緩沖層A1N的生長
將經(jīng)步驟(1)處理的襯底放入濺射室，在真空條件下采用濺射法在襯底上生長緩
沖層A1N，靶材為A1， N2為反應(yīng)氣體，Ar為工作氣體，N2與Ar的流量比為9:1 ，直流 濺射功率50W 60W，濺射時(shí)間20分鐘 30分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在400 。C 600。C;
(3) AWm-xN薄膜的生長
緩沖層A1N的生長結(jié)束后，將靶材更換為Al與In的質(zhì)量比為1:1的Al-In合金， 在真空條件下采用濺射法完成AlxIm-xN薄膜的生長，N2為反應(yīng)氣體，Ar為工作氣體， N2與Ar的流量比為3:1,射頻濺射功率80W 160W，濺射時(shí)間10分鐘 30分鐘，濺 射過程中襯底的溫度控制在250°C 350°C。
上述方法中，襯底優(yōu)選Si(lll)或玻璃或藍(lán)寶石。
上述方法中，襯底清洗方式有以下兩種
1、 首先在有機(jī)清洗劑中超聲波清洗，時(shí)間至少為30分鐘；然后用去離子水清洗， 時(shí)間至少為IO分鐘。所述有機(jī)清洗劑為丙酮或三氯乙烯或無水乙醇。
2、 首先在有機(jī)清洗劑中超聲波清洗，時(shí)間至少為30分鐘；然后在H2S04-H3P04 溶液中煮沸或在HF中浸泡，時(shí)間至少為10分鐘；再用去離子水清洗，時(shí)間至少為IO 分鐘。所述H2S04-H3P(V溶液中，H2S04與H3P04的體積比為3:1。所述有機(jī)清洗劑為 丙酮或三氯乙烯或無水乙醇。
上述方法中，緩沖層A1N的生長時(shí)，本底真空度《5x10—5Pa; AWn^N薄膜的生長 時(shí)，本底真空度《5xl0'5pa。 本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明所述方法采用A1N作為緩沖層，大大減少了 AlxIm《N與襯底間的晶格失 配，生長A1N時(shí)溫度為40(TC 600。C，有利于氮與鋁原子充分反應(yīng)成A1N合成物成積 在襯底表面。
2、 生長AlxIm.xN薄膜釆用Al-In合金靶,濺射過程中襯底的溫度控制在250°C 350 °C ，既有利于降低In-N的分解、提高AlxIni.xN薄膜中In的含量，又有利于Al和In原 子與氮充分反應(yīng)形成氮的合成物。
53、 本發(fā)明所述方法制備的AlJm.xN薄膜晶體擇優(yōu)取向好，其XRD圖中，只有 AlJm-xN (0002)的X射線衍射峰，且衍射峰的半峰寬只有800arcsec左右。
4、 本發(fā)明所述方法制備的AlxIm-xN薄膜晶粒尺寸為350 nm 370nm，方塊電阻 低達(dá)37.23 Q/口，光學(xué)帶隙適中(見圖5)。
5、 采用本發(fā)明所述方法，只要保持工作氣壓和濺射功率恒定，即可獲得穩(wěn)定的沉 積速率，因此制得的AlxIm.xN薄膜均勻。
圖1是本發(fā)明所述方法制備的AUm.xN薄膜的掃描電鏡(SEM)圖； 圖2是本發(fā)明所述方法制備的Alxlni-XN薄膜的X射線衍射(XRD)譜圖，襯底為 藍(lán)寶石；
圖3是本發(fā)明所述方法制備的AlxIn^N薄膜的X射線衍射(XRD)譜圖，襯底為
Si(lll);
圖4是本發(fā)明所述方法制備的AlJm-xN薄膜的X射線衍射(XRD)譜圖，襯底為 玻璃；
圖5是本發(fā)明所述方法制備的襯底為玻璃的AlJn^N薄膜的吸收譜。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明所述方法作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例l
本實(shí)施例中，AUn^N薄膜的制備方法依次按以下工藝步驟操作
(1) 襯底的處理
以藍(lán)寶石為襯底，在常溫、常壓下首先將藍(lán)寶石襯底在丙酮中超聲波清洗30分鐘， 然后在H2S04-H3P04溶液(H2S04與H3P04的體積比為3:1)中煮沸15分鐘，繼后再用 去離子水清洗10分鐘。襯底清洗干凈后，將其置于密閉箱體中通氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 緩沖層A1N的生長
緩沖層A1N的生長在超高真空多功能磁控濺射設(shè)備(型號JGP560 ，生產(chǎn)企業(yè) 中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司)中完成，本底真空為4.5xl0—spa;將經(jīng)步 驟(1)處理的藍(lán)寶石襯底放入濺射室，在真空條件下采用濺射法在襯底上生長緩沖層 A1N;靶材為AK純度99.8%)，反應(yīng)氣體為N2，工作氣體為Ar， N2與Ar分別為5.4 Sccm 和0.6Sccm，直流濺射功率56W,濺射時(shí)間30分鐘，濺射過程中襯底溫度控制在500'C; Ar發(fā)生電離形成Ar+， Ar+在電磁場作用下碰撞靶材，Ar+與靶材原子Al交換能量，靶 材原子Al獲得的能量大于金屬逃逸功時(shí)，離開靶材表面，與反應(yīng)氣體反應(yīng)沉積在襯底
6表面形成A1N緩沖層；
(3) AUm.xN薄膜的生長
緩沖層A1N的生長結(jié)束后，將靶材更換為Al與In的質(zhì)量比為1:1的Al-In合金， 在真空(4.5xlO-Spa)條件下采用濺射法完成AlxIriLxN薄膜的生長，反應(yīng)氣體為N2，工 作氣體為Ar， N2與Ar分別為9.0 Sccm和3,0 Sccm，射頻濺射功率100 W，濺射時(shí)間 20分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在300'C。 Ar發(fā)生電離形成Ar+, Ar+在電磁場作用 下碰撞靶材，Ar+與靶材原子交換能量，靶材原子獲得的能量大于金屬逃逸功時(shí)，離開 靶材表面，與反應(yīng)氣體N2反應(yīng)沉積在襯底表面形成AlxIni.xN薄膜。
本實(shí)例制備的AlxIm《N薄膜的SEM照片見圖l (為多晶體)、X射線衍射(XRD)譜 圖見圖2 (只出現(xiàn)AlxIm-xN (0002)衍射峰)。有關(guān)物理參數(shù)如下
(0002)衍射峰位置32.66°，半峰寬791 arcsec，晶粒尺寸368.9nm左右，方塊電阻 44.43迪，[Al]/ ([Al]+[In]) =0.49。
實(shí)施例2
本實(shí)施例中，AlxIm.xN薄膜的制備方法依次按以下工藝步驟操作
(1) 襯底的處理
以Si(lll)為襯底，在常溫、常壓下首先將Si(lll)襯底依次在三氯乙烯中超聲波清 洗20分鐘、在丙酮溶液中超聲波清洗30分鐘，然后在HF中浸泡IO分鐘，繼后再用 去離子水清洗10分鐘。襯底清洗干凈后，將其置于密閉箱體中通氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 緩沖層A1N的生長
緩沖層AIN的生長在超高真空多功能磁控濺射設(shè)備(與實(shí)施例1相同)中完成，本 底真空為4.5xl0'5 Pa;將經(jīng)步驟(1)處理的Si(lll)襯底放入濺射室，在真空條件下采 用濺射法在襯底上生長緩沖層A1N;靶材為A1 (純度99.8%)，反應(yīng)氣體為N2，工作氣 體為Ar， N2與Ar分別為5.4 Sccm和0.6 Sccm,直流濺射功率56W，濺射時(shí)間30分鐘, 濺射過程中襯底溫度控制在SO(TC; Ar發(fā)生電離形成Ar+, Ar+在電磁場作用下碰撞靶材， Ar+與耙材原子Al交換能量，靶材原子Al獲得的能量大于金屬逃逸功時(shí)，離開靶材表 面，與反應(yīng)氣體反應(yīng)沉積在襯底表面形成A1N緩沖層；
(3) AlJm-xN薄膜的生長
緩沖層A1N的生長結(jié)束后，將靶材更換為Al與In的質(zhì)量比為1:1的Al-In合金， 在真空(4.5xl0'spa)條件下采用濺射法完成AWm.xN薄膜的生長，反應(yīng)氣體為N2,工 作氣體為Ar， N2與Ar分別為9.0 Sccm和3.0 Sccm，射頻濺射功率100 W，濺射時(shí)間 20分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在30(TC。 Ar發(fā)生電離形成Ar+， Ar+在電磁場作用下碰撞靶材，Ar+與靶材原子交換能量，靶材原子獲得的能量大于金屬逃逸功時(shí)，離開 靶材表面，與反應(yīng)氣體N2反應(yīng)沉積在襯底表面形成AlxIm.xN薄膜。
本實(shí)例制備的AlxIm.xN薄膜的X射線衍射(XRD)譜圖見圖3 (只出現(xiàn)AlJm-xN (0002)衍射峰)。有關(guān)物理參數(shù)如下-.
(0002)衍射峰位置32.54° ，半峰寬792 arcsec，晶粒尺寸368.8nm左右，方塊電 阻37.23朗，[Al]/ ([Al]+[In]) =0.47。 實(shí)施例3
本實(shí)施例中，AlxIm.xN薄膜的制備方法依次按以下工藝步驟操作
(1) 襯底的處理
以玻璃為襯底，在常溫、常壓下首先將玻璃襯底依次在丙酮中超聲波清洗30分鐘、 在無水乙醇中超聲波清洗20分鐘，然后再用去離子水清洗10分鐘。襯底清洗干凈后， 將其置于密閉箱體中通氮?dú)獯蹈桑?br>
(2) 緩沖層A1N的生長
緩沖層AIN的生長在超高真空多功能磁控濺射設(shè)備(與實(shí)施例1相同)中完成，本 底真空為4.5x10—5 Pa;將經(jīng)步驟(1)處理的玻璃襯底放入濺射室，在真空條件下釆用 濺射法在襯底上生長緩沖層A1N;靶材為Al (純度99.8%)，反應(yīng)氣體為N2，工作氣體 為Ar， N2與Ar分別為5.4 Sccm和0.6 Sccm，直流濺射功率56W,濺射時(shí)間30分鐘，濺 射過程中襯底溫度控制在50(TC; Ar發(fā)生電離形成Ar+， Ar+在電磁場作用下碰撞靶材， Ar+與耙材原子Al交換能量，耙材原子Al獲得的能量大于金屬逃逸功時(shí)，離開靶材表 面，與反應(yīng)氣體反應(yīng)沉積在襯底表面形成A1N緩沖層；
(3) AlxIm.xN薄膜的生長
緩沖層A1N的生長結(jié)束后，將靶材更換為Al與In的質(zhì)量比為1:1的Al-In合金， 在真空(4.5xl0—spa)條件下采用濺射法完成AWn^N薄膜的生長，反應(yīng)氣體為N2，工 作氣體為Ar， N2與Ar分別為9.0Sccm和3.0Sccm，射頻濺射功率100 W，濺射時(shí)間 20分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在30(TC。 Ar發(fā)生電離形成Ar+， Ar+在電磁場作用 下碰撞耙材，Ar+與靶材原子交換能量，靶材原子獲得的能量大于金屬逃逸功時(shí)，離開 耙材表面，與反應(yīng)氣體N2反應(yīng)沉積在襯底表面形成Aljni-XN薄膜。
本實(shí)例制備的AlxIm.xN薄膜的X射線衍射(XRD)譜圖見圖4 (只出現(xiàn)AlxIm.xN (0002)衍射峰)，吸收譜見圖5。有關(guān)物理參數(shù)如下
(0002)衍射峰位置33.14° ，半峰寬828 arcsec，晶粒尺寸353.3nm左右，方塊電阻 74.70Q/口， [Al]/ ([Al]+[In]) =0.58。
權(quán)利要求
1、一種AlxIn1-xN薄膜的制備方法，其特征在于工藝步驟依次如下(1)襯底的處理在常溫、常壓下將襯底清洗干凈后置于氮?dú)猸h(huán)境中吹干；(2)緩沖層AlN的生長將經(jīng)步驟(1)處理的襯底放入濺射室，在真空條件下采用濺射法在襯底上生長緩沖層AlN，靶材為Al，N2為反應(yīng)氣體，Ar為工作氣體，N2與Ar的流量比為9∶1，直流濺射功率50W～60W，濺射時(shí)間20分鐘～30分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在400℃～600℃；(3)AlxIn1-xN薄膜的生長緩沖層AlN的生長結(jié)束后，將靶材更換為Al與In的質(zhì)量比為1∶1的Al-In合金，在真空條件下采用濺射法完成AlxIn1-xN薄膜的生長，N2為反應(yīng)氣體，Ar為工作氣體，N2與Ar的流量比為3∶1，射頻濺射功率80W～160W，濺射時(shí)間10分鐘～30分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在250℃～350℃。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlJm.xN薄膜的制備方法，其特征在于襯底為Si(lll) 或玻璃或藍(lán)寶石。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的AlJm.xN薄膜的制備方法，其特征在于襯底清洗方 式為首先在有機(jī)清洗劑中超聲波清洗，時(shí)間至少為30分鐘；然后用去離子水清洗， 時(shí)間至少為IO分鐘。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的AUm.xN薄膜的制備方法，其特征在于襯底清洗方 式為首先在有機(jī)清洗劑中超聲波清洗，時(shí)間至少為30分鐘；然后在H2S04-H3P04溶 液中煮沸或在HF中浸泡，時(shí)間至少為10分鐘；再用去離子水清洗，時(shí)間至少為10分 鐘。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的AlxIm.xN薄膜的制備方法，其特征在于H2S04-H3P04溶 液中，H2S04與H3P04的體積比為3:1。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的AlxIn^N薄膜的制備方法，其特征在于機(jī)清洗劑為丙酮 或三氯乙烯或無水乙醇。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的AlxIm.xN薄膜的制備方法，其特征在于機(jī)清洗劑為丙酮 或三氯乙烯或無水乙醇。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的AlxIm-xN薄膜的制備方法，其特征在于機(jī)清洗劑為丙酮或三氯乙烯或無水乙醇。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的AlxIn^N薄膜的制備方法，其特征在于緩沖層A1N的生 長時(shí)，本底真空度《5xl(/Spa; AUm.xN薄膜的生長時(shí)，本底真空度《5xl0，a。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的AlxIni.xN薄膜的制備方法，其特征在于緩沖層AIN的 生長時(shí)，本底真空度《5xl0—spa; AlJm-xN薄膜的生長時(shí)，本底真空度《5xl(TSpa。
全文摘要
一種Al<sub>x</sub>In<sub>1-x</sub>N薄膜的制備方法，工藝步驟如下(1)在常溫常壓下將襯底清洗干凈后置于氮?dú)猸h(huán)境中吹干；(2)將處理后的襯底放入濺射室，在真空條件下采用濺射法在襯底上生長緩沖層AlN，靶材為Al，N<sub>2</sub>與Ar的流量比為9∶1，直流濺射功率50～60W，濺射時(shí)間20～30分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在400～600℃；(3)緩沖層AlN生長結(jié)束后，將靶材更換為Al-In(1∶1)合金，在真空條件下采用濺射法完成Al<sub>x</sub>In<sub>1-x</sub>N薄膜的生長，N<sub>2</sub>與Ar的流量比為3∶1，射頻濺射功率80～160W，濺射時(shí)間10～30分鐘，濺射過程中襯底的溫度控制在250～350℃。
文檔編號C23C14/34GK101423927SQ20081014781
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者明 徐, 紀(jì)紅萱, 董成軍, 陳青云, 屹 魏 申請人:四川師范大學(xué)