一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用，所述生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜包括金屬Al襯底、生長在金屬Al襯底上的AlN氮化層以及生長在AlN氮化層上的AlN薄膜；所述金屬Al襯底以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為AlN(0001)//Al(111)。本發(fā)明采用的脈沖激光沉積法生長AlN薄膜，降低AlN薄膜的生長溫度，提高AlN薄膜的質(zhì)量。本發(fā)明所述的生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜在主要應(yīng)用于LED器件以及光電探測器領(lǐng)域中。
【專利說明】一種生長在金屬鋁襯底上的AIN薄膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及AlN薄膜，具體涉及一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]AlN是一種III族化合物，一般以六方晶系中的纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在，有許多優(yōu)異的性能，如高的熱傳導性、低的熱膨脹系數(shù)、高的電絕緣性質(zhì)、高的介質(zhì)擊穿強度、優(yōu)異的機械強度、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和低毒害性、良好的光學性能等。由于AlN有諸多優(yōu)異性能，帶隙寬、極化強，禁帶寬度為6.2eV，使其在電子器件、集成電路封裝、光學膜及散熱裝置中都有廣泛的應(yīng)用
[0003]AlN薄膜必須具有較高的結(jié)晶質(zhì)量，才能滿足以上多方面的應(yīng)用。目前AlN薄膜器件大都是生長在藍寶石襯底上。首先，AlN和藍寶石的存在較大的晶格失陪度，導致外延AlN薄膜過程中形成很高的位錯密度，從而降低了 AlN的性能；其次，AlN與藍寶石之間的熱失配度較大，當外延層生長結(jié)束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，容易導致薄膜和襯底的龜裂。最后，由于藍寶石的熱導率低(100°C時為25W/m*K)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時排出，導致熱量積累，使器件的內(nèi)量子效率降低，最終影響器件的性能。
[0004]因此迫切尋找一種熱導率高可以快速地將器件內(nèi)的熱量傳遞出來的襯底材料。而金屬Al作為外延AlN的襯底材料，具有四大其獨特的優(yōu)勢。第一，可在金屬表面采用氮的等離子體氮化Al襯底表面，在襯底表面形成AlN為后面生長AlN提供形核的種子。有效的緩解了晶格失配帶來的弊端。第二，金屬Al有很高的熱導率(237W/m*K)，可以將器件內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時的傳導出，以降低器件的溫度，提高器件的性能。第三，金屬Al可以作為生長AlN基垂直結(jié)構(gòu)的器件的襯底材料，可直接在襯底上鍍陰極材料，在陽極上鍍陽極材料，使得電流幾乎全部垂直流過外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產(chǎn)生的熱量減小，對器件的散熱有利。第四，金屬Al襯底材料相對其他襯底，價格更便宜，可以極大地降低器件的制造成本。正因為上述諸多優(yōu)勢，金屬Al襯底現(xiàn)已被嘗試用作AlN外延生長的襯底材料。
[0005]但是金屬Al襯底在化學性質(zhì)不穩(wěn)定，當外延溫度高于620°C的時候，外延氮化物會與金屬Al襯底之間發(fā)生界面反應(yīng)，嚴重影響了外延薄膜生長的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的在于提供一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜，提高AlN薄膜的質(zhì)量、擴大應(yīng)用范圍。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜的其制備方法，采用的脈沖激光沉積法生長AlN薄膜，降低AlN薄膜的生長溫度，提高AlN薄膜的質(zhì)量。
[0008]本發(fā)明的又一目的在于提供生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜在制備LED器件以及光電探測器中的應(yīng)用。
[0009]為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0010]一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜，其包括金屬Al襯底、生長在金屬Al襯底上的AlN氮化層以及生長在AlN氮化層上的AlN薄膜；所述金屬Al襯底以(111)面偏(100)方向0.5~1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為AlN(0001)//Al (111)。
[0011]在本發(fā)明中氮化層可以提供模板，為接下來外延生長高質(zhì)量AlN薄膜奠定基礎(chǔ)，因此，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述AlN氮化層的厚度為5~10nm。 [0012]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述AlN薄膜的厚度為100~300nm。
[0013]一種生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜的制備方法，其包括以下步驟:
[0014](I)襯底以及其晶向的選取:米用金屬Al襯底，以(111)面偏(100)方向0.5~1°為外延面；
[0015](2)襯底處理:將金屬Al襯底表面拋光、清洗以及退火處理；
[0016](3) AlN氮化層的外延生長:襯底溫度調(diào)為500~600°C，在反應(yīng)室的壓力為6.0~
7.2 X 10?的氮的等離子體氣氛內(nèi)，用氮的等離子體氮化處理金屬Al襯底，在金屬Al襯底表面生成一層AlN氮化層；
[0017](4)A1N薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積生長工藝，在步驟(3)得到的AlN氮化層上生長AlN薄膜；
[0018]在上述方法中，發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，在500~600°C生長AlN氮化層，可以有效的抑制襯底和薄膜之間的界面反應(yīng)，同時為氮化生成AlN氮化層提供足夠多的生長能量。
[0019]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，步驟2)中，拋光具體工藝為JfAl襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合顯微鏡觀察襯底表當沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法對襯底進行拋光處理。
[0020]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，步驟2)中，清洗工藝為將襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除Al襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗后的襯底用純度為99.9999%的干燥氮氣吹干。
[0021]在本發(fā)明中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)退火處理可使襯底獲得原子級平整的表面。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，步驟2)中，退火的具體過程為:將襯底Al放在壓強為2 X IO-1ciTorr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在450-550°C下高溫烘烤Ih以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。
[0022]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，步驟4)中脈沖激光沉積生長工藝的具體步驟是:將襯底保持在400~500°C，在反應(yīng)室的壓力為4.0~5.0Xl(T5Pa、生長速度為0.6~
0.8ML/s條件下。
[0023]本發(fā)明所述的生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜在制備LED器件以及光電探測器中的應(yīng)用。
[0024]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于:
[0025]I)本發(fā)明使用Al作為襯底，Al襯底容易獲得，價格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本；
[0026]2)本發(fā)明使用Al作為襯底，用于生長AlN氮化層可以較容易控制AlN薄膜的厚度，為下一步沉積高質(zhì)量低缺陷的AlN薄膜做鋪墊；
[0027]3)本發(fā)明制備得到的AlN薄膜，由于半峰寬數(shù)值小，位錯密度低，另外采用與AlN晶格失配和熱失配度低的Al (111)作為襯底，能夠有效的減少熱應(yīng)力，減少位錯的形成，有利于高質(zhì)量AlN薄膜的生長，制備得到的AlN基光電材料器件的載流子輻射復合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半導體激光器、發(fā)光二極管及太陽能電池的發(fā)光效率；
[0028]4)本發(fā)明的采用脈沖激光沉積技術(shù)生長AlN薄膜，由于脈沖激光照射能為薄膜前驅(qū)體提供了較高的動能，可以很大程度地降低AlN薄膜的生長溫度；另外由于低溫下，外延層與襯底之間的界面反應(yīng)受到抑制，為在金屬Al襯底上外延生長AlN薄膜提供了重要的保證；
[0029]5)本發(fā)明的工藝操作簡單，易重復，
[0030]下面結(jié)合附圖與具體的實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為實施例1制備的AlN薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為實施例1制備的AlN薄膜(AlN(0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜。
[0033]圖3為實施例1制備的AlN薄膜(A1N(10_12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖
-1'TfeP曰。
[0034]圖4為實施例1制備的AlN薄膜的掃描電鏡(SEM)圖譜。
【具體實施方式】
[0035]實施例1
[0036]如圖1所示，本發(fā)明所述的生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜包括金屬Al襯底11、生長在金屬Al襯底11上的AlN氮化層12以及生長在AlN氮化層12上的AlN薄膜13 ；所述金屬Al襯底11以(111)面偏(100)方向0.5?1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為AlN (0001) "Al (111);其制備方法如下:
[0037]I)襯底以及其晶向的選取:米用金屬Al襯底，以(111)面偏(100)方向0.5°為外延面；
[0038](2)襯底處理:將金屬Al襯底表面拋光、清洗以及退火處理；其中拋光具體工藝為JfAl襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合顯微鏡觀察襯底表當沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法對襯底進行拋光處理；清洗工藝為將襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗6分鐘，去除Al襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，清洗后的襯底用純度為99.9999% (v% )的干燥氮氣吹干；退火的具體過程為:將襯底Al放在壓強為2X KTltlTorr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在450°C下高溫烘烤Ih以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫；
[0039](3) AlN氮化層外延生長:襯底溫度調(diào)為600°C，在反應(yīng)室的壓力為6.0X 10_5Pa、生長速度為0.4ML/s的條件下生長厚度為IOnm的AlN氮化層。
[0040](4) AlN薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積生長工藝，將襯底保持在450°C，在反應(yīng)室的壓力為7.0X10_5Pa、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(3)得到的AlN氮化層上生長厚度為IOOnm的AlN薄膜；
[0041]圖2?3是本實施例制備的AlN薄膜的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看ilj, AlN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FffHM)值低于0.6度，A1N(10_12)的半峰寬值為0.9度；表明在Al (111)襯底上外延生長出了高質(zhì)量的AlN薄膜。
[0042]圖4是本實施例制備的AlN薄膜的掃描電鏡(SEM)圖譜，可以看到AlN薄膜表面光滑且平整，表明外延生長得到的AlN已經(jīng)進入二維橫向生長。
[0043]綜上，無論是結(jié)構(gòu)性質(zhì)還是在表面性質(zhì)上，都具有非常好的性能，優(yōu)于目前已經(jīng)報道的應(yīng)用傳統(tǒng)襯底獲得的AlN薄膜的相關(guān)結(jié)果。
[0044]實施例2
[0045]與實施例1的區(qū)別是:生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0046]I)襯底以及其晶向的選取:米用金屬Al襯底，以(111)面偏(100)方向0.5°為外延面；
[0047](2)襯底處理:將金屬Al襯底表面拋光、清洗以及退火處理；其中拋光具體工藝為JfAl襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合顯微鏡觀察襯底表當沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法對襯底進行拋光處理；清洗工藝為將襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗8分鐘，去除Al襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，清洗后的襯底用純度為99.9999% (v% )的干燥氮氣吹干；退火的具體過程為:將襯底Al放在壓強為2X KTltlTorr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在500°C下高溫烘烤Ih以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫；
[0048](3)AlN氮化層外延生長:襯底溫度調(diào)為550°C，在反應(yīng)室的壓力為7.2X10_5Pa、生長速度0.6ML/s的條件下生長厚度為5nm的AlN氮化層。
[0049](4) AlN薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積生長工藝，將襯底保持在600°C，在反應(yīng)室的壓力為5.0X10_5Pa、生長速度為0.8ML/s條件下，在步驟(3)得到的AlN緩沖層上生長300nmAlN薄膜。
[0050]應(yīng)用實施例1
[0051]將本實施例1制備的生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜用于制備LED:所述生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜的GaN薄膜，Si摻雜的η型摻硅GaN、InGaN多量子阱層、Mg摻雜的p型摻鎂的GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸，在金屬Al襯底上制備得到的GaN基LED器件，其非摻雜的GaN薄膜約為2 μ m，η型GaN的厚度約為3 μ m，其載流子的濃度為IXlO19cnT3 ;InGaN多量子阱層的厚度約為105nm，InGaN多量子阱層包括Inai25Gaa 875N阱層和GaN壘層，周期數(shù)為7，其中Inai25Gaa 875N阱層為3nm，GaN壘層為12nm，P型摻鎂的GaN層厚度約為300nm，其載流子的濃度為3X 1017cnT3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為4.3mff,開啟電壓值為2.78V。
[0052]應(yīng)用實施例2
[0053]將本實施例2制備的生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜用于制備光電探測器:在生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、n型摻硅GaN、p型摻鎂的GaN，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)；其中η型摻娃GaN厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X IO19CnT3 ;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2.2 X IO1W ；p型摻鎂的GaN度約為1.5μπι。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為65ρΑ，并且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應(yīng)度的最大值達到了 0.92A/W。
[0054]上述實施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，不能以此來限定本發(fā)明保護的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所做的任何非實質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明所要求保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜，其特征在于:其包括金屬Al襯底、生長在金屬Al襯底上的AlN氮化層以及生長在AlN氮化層上的AlN薄膜；所述金屬Al襯底以(I 11)面偏(100)方向0.5~1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為AlN(0001)//Al (111)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlN薄膜，其特征在于:所述AlN氮化層的厚度為5~10nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlN薄膜，其特征在于:所述AlN薄膜的厚度為100~300nm。
4.一種如權(quán)利要求1-3任一項所述的生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜的制備方法,其特征在于，其包括以下步驟: (1)襯底以及其晶向的選取:采用金屬Al襯底，以(111)面偏(100)方向0.5~1°為外延面； (2)襯底處理:將金屬Al襯底表面拋光、清洗以及退火處理； (3)A1N氮化層的外延生長:襯底溫度調(diào)為500~600°C，在反應(yīng)室的壓力為6.0~7.2 X 10?的氮的等離子體氣氛內(nèi)，用氮的等離子體氮化處理金屬Al襯底，在金屬Al襯底表面生成一層AlN氮化層； (4)AlN薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積生長工藝，在步驟(3)得到的AlN氮化層上生長AlN薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，拋光具體工藝為:將Al襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合顯微鏡觀察襯底表當沒有劃痕后，再采用化學機械拋光的方法對襯底進行拋光處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，清洗工藝為將襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除Al襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗后的襯底用純度為99.9999%的干燥氮氣吹干。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，退火的具體過程為:將襯底Al放在壓強為2X KTiciTorr的UHV-PLD的生長室內(nèi)，在450_550°C下高溫烘烤Ih以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中脈沖激光沉積生長工藝的具體步驟是:將襯底保持在400~500°C，在反應(yīng)室的壓力為4.0~5.0X 10_5Pa、生長速度為0.6~0.8ML/s條件下。
9.如權(quán)利要求1-3任一項所述的生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜在制備LED器件以及光電探測器中的應(yīng)用。
【文檔編號】H01L31/18GK103996610SQ201410239341
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司