一种在Si衬底上外延生长的高质量 AlN薄膜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜及其制备方法，具体地，该方法包括以下步骤：1)选取Si衬底；2)外延预铺Al层；3)生长AlN成核层和4)生长AlN薄膜，其中，在AlN薄膜生长过程中，通入0.2‑0.5mL/min三甲基镓作为表面活性剂。该方法有利于得到较厚(>1μm)的无裂纹AlN薄膜，实现AlN岛间愈合呈二维生长。相比多步多层或高温生长AlN薄膜的技术而言，本发明有利于缩短薄膜制备所耗时间，生长工艺独特而且简单易行，便于大规模生产。该薄膜可广泛应用于LED、紫外与深紫外器件、表面声波器件用压电薄膜等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及AlN薄膜技术领域，具体涉及一种在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜及其制备方法。

背景技术

AlN是一种重要的III-V族化合物半导体材料，具有低的热膨胀系数、优异的机械强度、高的电绝缘性质、宽的禁带宽度以及高的表面声波速度，这些特征使得AlN在机械、光学、以及电子元器件、表面声波器件制造等领域有着广阔的应用前景。此外，AlN还具有良好的稳定性、高的热导率、与GaN、AlGaN有相似的晶格常数和热膨胀系数，因此AlN成为GaN和AlGaN缓冲层的一种首选材料，可以有效提高氮化物外延薄膜的晶体质量，明显改善其光电性能。

在各种AlN薄膜制备技术中，金属有机化学气相沉积法(MOCVD)生长过程厚度与成分精确可控，生长的单晶薄膜质量高，而且适用于大面积快速生长，有利于实现产业化生产。但是为了使AlN薄膜真正实现大规模广泛应用，还必须寻找合适的外延衬底。目前常见制备AlN薄膜的衬底有蓝宝石和SiC，但蓝宝石衬底导电导热性能差，不利于高功率垂直结构器件的发展；SiC衬底价格昂贵，极大限制其商业化发展。Si衬底因其价格低廉、工业化成熟以及容易大尺寸生产等优势广受关注，能够实现低制造成本外延AlN薄膜。然而在Si衬底制备高质量AlN单晶薄膜面临诸多挑战：1)衬底与外延 层间存在严重界面反应；2)Si与AlN的晶格失配很大和热失配很大，这将使高温生长的AlN薄膜中有大量残余应力，导致高密度缺陷和裂纹；3)Al原子在生长表面的迁移率非常低，AlN一般倾向于岛状生长，因此AlN薄膜常常拥有粗糙的表面和较差的结晶质量。

为了克服以上问题，国内外研究学者采取了诸多技术。由于Al原子的迁移率低于Ga原子，与生长GaN不同，高质量无裂纹的AlN的生长温度一般都高于1500℃，然而过高温度时使Si原子容易逃逸衬底层，会加剧外延层与衬底间的界面反应，同时高温生长对反应腔的结构设计有更高要求。因此有研究者采用低高温多步多层结构以及不同生长模式调制交叉生长的方法，从而引导穿透位错闭合，使Si衬底与AlN外延层间的失配应力逐级释放。然而这种技术的生长过程复杂，影响因素多且耗时长。因此，需要积极寻求一种更简便有效的方法应用于Si衬底上外延生长高质量AlN薄膜。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是为了提供一种生长时间短，质量高的在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取Si衬底；

2)外延预铺Al层：在Si衬底上外延一预铺Al层；

3)生长AlN成核层：在上述预铺Al层上使用NH3进行氮化处 理、生长一AlN成核层；

4)生长AlN薄膜：在上述AlN成核层上继续生长AlN薄膜，在AlN薄膜生长过程中，通入0.2-0.5mL/min三甲基镓作为表面活性剂。

作为优选，所述预铺Al层厚度为0.5-1.2nm，所述AlN成核层为5-7nm，所述AlN薄膜厚度为100-1500nm。

作为优选，步骤1)中，采用Si衬底，以(111)面偏(110)方向0.2-1°为外延面。

作为优选，步骤1)中，晶体外延取向关系为：AlN薄膜的(0002)面平行于Si的(111)面。

作为优选，步骤2)中，采用低温外延预铺Al层；其中外延时Si衬底温度为900-1000℃。

作为优选，步骤2)中，预铺Al层的外延条件为：反应室压力为50-75Torr，石墨盘转速为1000-1200r/min，三甲基铝的流量为100-250sccm。

作为优选，步骤3)中，AlN成核层生长条件为：衬底温度为950-1050℃，反应室压力为50-75Torr，石墨盘转速为1000-1200r/min，V/III为500-8000。

作为优选，步骤4)中，采用金属有机气相沉积法生长AlN薄膜，使掺入AlN薄膜层的Ga组分含量为0.002-0.1。

作为优选，步骤4)中，AlN薄膜的生长条件为：衬底温度为1000-1200℃，反应室压力为50-75Torr，石墨盘转速为1000-1200 r/min，V/III为500-8000。

本发明的目的之二在于提供上述任一项方法制备的在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明在薄膜生长过程中利用了微量Ga作为表面活性剂，一方面可以释放衬底与AlN外延层间的张应力，有利于得到较厚(>1μm)的无裂纹AlN薄膜；另一方面能够实现在较低温下有效提高Al原子在生长表面的迁移率，实现AlN岛间愈合呈二维生长。相比多步多层或高温生长AlN薄膜的技术而言，本发明有利于缩短薄膜制备所耗时间，生长工艺独特而且简单易行，便于大规模生产。该薄膜可广泛应用于LED、紫外与深紫外器件、表面声波器件用压电薄膜等领域。

附图说明

图1为本发明的生长在Si衬底上的AlN薄膜的结构示意图，其中，各附图标记：1、Si衬底；2、预铺Al层；3、AlN成核层；4、AlN薄膜层。

图2为本发明实施例1制备的生长在Si衬底上的AlN薄膜(0002)面的XRC曲线。

图3为本发明实施例2制备的生长在Si衬底上的AlN薄膜光学显微镜图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，本实施例的生长在Si衬底上的高质量AlN薄膜，它包括Si衬底1，依次生长Si衬底上的预铺Al层2、AlN成核层3、通TMGa生长的AlN薄膜层4；所述Si衬底1以(111)面为外延面。

一种在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取Si衬底；

使用Si作为衬底，Si衬底容易获得，价格便宜，容易大尺寸生产，有利于降低生产成本；

2)外延预铺Al层：在Si衬底上外延一预铺Al层；

在Si衬底上首先预铺一层Al层，可抑制Si衬底与外延层间的界面反应；然后依次生长AlN成核层，为进一步生长高质量的AlN薄膜层奠定基础，制备所得到的AlN薄膜位错密度低，半峰宽数值小，质量高。预铺Al层的方法包括但不限于采用MOCVD技术；

3)生长AlN成核层：在上述预铺Al层上使用NH₃进行氮化处理、生长一AlN成核层；

4)生长AlN薄膜：在上述AlN成核层上继续生长AlN薄膜，在AlN薄膜生长过程中，通入0.2-0.5mL/min三甲基镓作为表面活性剂；

在AlN薄膜生长过程中精确控制通入三甲基镓(TMGa)作为表面活性剂，一方面可以释放衬底与AlN外延层间的张应力，有利于得到较厚(>1μm)的无裂纹AlN薄膜；另一方面能够实现在较低温下有效提高Al原子在生长表面的迁移率，实现AlN岛间愈合呈二维 生长。生成AlN薄膜的方法包括但不限于采用金属有机气相沉积法(MOCVD)。采用MOCVD法能精确控制AlN外延层中通入的TMGa的量0.2-0.5mL/min，因此不足以形成AlGaN固溶体。

实施例1

一种在Si衬底上外延生长的高质量AlN薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取Si衬底：采用Si衬底，以最密排面(111)面偏(110)方向0.2-1°为外延面，晶体外延取向关系为：AlN的(0002)面平行于Si的(111)面；

将衬底进行表面清洗、烘烤处理：

所述清洗具体过程为：将Si衬底放入混有5％HF的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O＝3:1:1混合酸液中室温下超声清洗10-15秒，去除Si衬底表面的氧化膜及有机物，用去离子水冲洗Si衬底后再经去离子水超声洗涤1-3分钟，去除表面残留的化学试剂，最后用高纯干燥氮气吹干；

所述烘烤具体过程为：将衬底放入MOCVD反应室内，在500Torr高压，纯H2氛围中对Si衬底进行清洁处理，烘烤温度为1000℃；

2)外延预铺Al层：采用MOCVD生长工艺，衬底温度控制在900℃，石墨盘转速为1000r/min，反应室压力为50Torr，三甲基铝(TMAl)的流量为100sccm；生长厚度为0.5nm的预铺Al层；

3)生长AlN成核层：在预铺Al层基础上NH3进行氮化处理和生长，控制反应室气压为50Torr，石墨盘转速为1000r/min,V/III为 1000，在950℃下形成一层5nm厚的AlN成核层；

4)生长AlN薄膜：在步骤3)得到的AlN成核层上保持反应室气压不变，石墨盘转速为1000r/min，V/III为1000，在1000℃通入TMAl继续生长一层1500nm厚的AlN薄膜；生长过程中，通入0.2mL·min^-1的TMGa作为表面活性剂，利用MOCVD技术能够实现对成分精确控制的特点使得通入的Ga含量不足以形成固溶体，从而得到高质量AlN薄膜。所述预铺Al层厚度为0.5-1.2nm，所述AlN成核层为5-7nm，所述AlN薄膜厚度为100-1500nm。

采用X射线回摆曲线对本实施例制备的AlN薄膜进行测试,XRC曲线如图2所示，光学显微镜图如图3所示，测试结果表明通入微量Ga源生长的AlN薄膜(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于360arcsec，表明在Si(111)衬底上外延生长出了高质量的AlN薄膜。

实施例2

一种生长在Si衬底上的高质量AlN薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)选取Si衬底：采用Si衬底，以最密排面(111)面偏(110)方向0.2-1°为外延面，晶体外延取向关系为：AlN的(0002)面平行于Si的(111)面；

所述清洗具体过程为：将Si衬底放入混有5％HF的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O＝3:1:1混合酸液中室温下超声清洗10-15秒，去除Si衬底表面的氧化膜及有机物，用去离子水冲洗Si衬底后再经去离子>

所述烘烤具体过程为：将衬底放入MOCVD反应室内，在500Torr高压，纯H₂氛围中对Si衬底进行清洁处理，烘烤温度为1000℃；

2)外延预铺Al层：采用MOCVD生长工艺，衬底温度控制在1000℃，石墨盘转速为1200r/min,反应室压力为50Torr，三甲基铝(TMAl)的流量为250sccm；生长厚度为0.5nm的预铺Al层；

3)生长AlN成核层：在预铺Al层基础上NH3进行氮化处理和生长，控制反应室气压为50Torr，石墨盘转速为1200r/min,V/III为1000，在1050℃下形成一层7nm厚的AlN成核层；

4)生长AlN薄膜：在步骤3)得到的AlN成核层上保持反应室气压不变，石墨盘转速为1200r/min，V/III为1000，在1200℃通入TMAl继续生长一层1500nm厚的AlN薄膜；生长过程中，通入0.5mL·min^-1的TMGa作为表面活性剂。利用MOCVD技术能够实现对成分精确控制的特点使得通入的Ga含量不足以形成固溶体，从而得到高质量AlN薄膜。

采用光学显微镜对本实施例制备的AlN薄膜进行观察,结果发现在AlN薄膜表面平整无裂纹，表明在Si(111)衬底上外延生长出了厚度超过1μm高质量的AlN薄膜。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变 都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。