專利名稱：生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜及其制備方法、應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種AlN薄膜，具體涉及一種生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應用。
背景技術：
發光二極管(即LED)作為一種新型固體照明光源和綠色光源，由于具有體積小、耗電量低、環保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出的特點，在室外照明、商業照明以及裝飾工程等領域廣泛應用。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、 減少溫室氣體排放成為全球共同面對的重要問題。以低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟，將成為經濟發展的重要方向。在照明領域，LED發光產品的應用正吸引著世人的目光。LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢，二十一世紀將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是，現階段LED的應用成本較高，發光效率較低，這些因素大大限制了 LED向高效節能環保的方向發展。III A族氮化物AlN (即是氮化鋁)在電學、光學以及聲學上具有極其優異的性質，近幾年來受到廣泛關注。AlN是直接帶隙材料，其聲波傳輸速度快、化學和熱穩定性好，熱導率高、熱膨脹系數低、擊穿介電強度高，是制造高效的薄膜體聲波諧振器、LED器件等電器件的理想材料。目前，氮化物LED的發光效率現在已經達到28%并且還在進一步增長，該數值遠遠高于目前通常使用的白熾燈(其發光效率約為2%)或熒光燈(其發光效率約為10%)等照明器件的發光效率。數據統計表明，我國目前的照明用電每年在4100億度以上，超過英國全國一年的用電量。如果用LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，可節省接近一半的照明用電量，超過三峽工程全年的發電量。因照明而產生的溫室氣體排放也會因此而大大降低。另外，與熒光燈相比，氮化物LED不含有毒的汞元素，且使用壽命約為此類照明工具的100倍。LED要真正實現大規模廣泛應用，還需要進一步提高LED芯片的發光效率。雖然LED的發光效率已經超過日光燈和白熾燈，但是商業化LED發光效率還是低于鈉燈(其發光效率約為1501m/w)，單位流明/瓦的價格偏高。目前，LED芯片的發光效率還不夠高的一個主要原因是其應用的AlN薄膜是采用藍寶石為襯底。由于藍寶石與氮化物的晶格失配高達17%，導致外延氮化物薄膜形成過程中有很高的位錯密度，從而降低了材料的載流子遷移率，縮短了載流子壽命，進而影響了氮化物LED器件的性能。其次，由于室溫下藍寶石熱膨脹系數(6. 63X IO-67K)較氮化物的熱膨脹系數(5. 6X 10_6/K)大，兩者間的熱失配度約為一18. 4%，當外延層生長結束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產生很大的壓應力，容易導致薄膜和襯底的龜裂。再次，由于藍寶石的熱導率低(100°C時為O. 25ff/cmK),很難將芯片內產生的熱量及時排出，導致熱量積累，使器件的內量子效率降低，最終影響器件的必性能。此外，由于藍寶石是絕緣體，不能制作垂直結構半導體器件，因此，電流在器件中存在橫向流動，導致電流分布不均勻，產生較多熱量，很大程度上影響了氮化物LED器件的電學和光學性質。因此，行業迫切尋找一種熱導率高可以快速地將LED節區的熱量傳遞出來的材料，作為襯底。
發明內容
本發明的目的之一在于提供一種生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜；
本發明的目的之二在于提供一種生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法；
本發明的目的之三在于提供上述生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的應用。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案
一種生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜，其采用以下制備方法獲得采用金屬Ag為襯底，選擇Ag襯底的(111)晶面偏向(100)方向0.5—1°的晶體取向，在金屬單晶Ag(Ill)襯底上生長出外延AlN薄膜。金屬Ag作為外延氮化物的襯底材料具有四大獨特的優勢。第一、金屬Ag有很高的熱導率，金屬Ag的熱導率為419W/m. K,可以將LED芯片內產生的熱量及時地傳導出去，以降低器件的節區溫度，一方提高器件的內量子效率，另一方面有助于解決器件散熱問題。第二，金屬Ag可以作為生長氮化物垂直結構的LED器件的襯底材料，可直接在襯底上鍍陰極材料，P —氮化物上鍍陽極材料，使得電流幾乎全部垂直流過氮化物外延層，因而電阻下降，沒有流擁擠，電流分布均勻，電流產生的熱量減小，對器件的散熱有利；另外，可以將陰極材料直接鍍在金屬襯底上，不需要通過腐蝕P —氮化物層和有源層將電極連在N —氮化物層，這樣充分利用了有源層的材料。第三、金屬Ag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。第四、光滑的金屬Ag表面可以全面反身入射到襯底表面的光，從而提高LED的出光效率。外延襯底采用Ag的(111)晶面偏向(100)方向0.5 —1°的晶體取向，在其上生長外延AlN薄膜可以形成以下的取向關系A1N(0002)//Ag(Ill) ；A1N [11-20]//Ag [1-10]，通過上述襯底晶體取向的選擇，才能生長出高質量的AlN薄膜，原因是①金屬Ag (111)襯底在[1-10]方向上與c面AlN (也就是AlN (0002))在[11-20]間的晶格失配度較低，保證了襯底與外延之間的晶格匹配；②而Ag襯底的(111)晶面偏向(100)方向0.5-1°的斜切，能確保Ag襯底在表面形成有效的形核臺階，利于AlN外延薄膜的形核生長；③進一步研究表明，該斜切還有利于AlN外延薄膜的應力釋放。外延AlN薄膜可以為外延AlN多晶薄膜，優選為外延AlN單晶薄膜。優選地，在外延AlN薄膜生長之前，對襯底依次進行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。優選地，表面拋光處理步驟的具體方法是將Ag襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，用光學顯微鏡觀察襯底表面沒有劃痕之后，再采用現有技術的化學機械拋光方法對襯底進行拋光處理。優選地，清洗步驟的具體方法是將襯底放入去離子水中室溫下超聲波清洗，去除Ag襯底表面粘污顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物。優選地，退火的具體方法是將襯底放在壓強為2X10 —ltlTorr的超高真空的生長室內，在450-550 °C下高溫烘烤1-1. 5h以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。退火處理可使襯底獲得原子級平整的表面。優選地，在金屬單晶Ag(Ill)襯底上采用脈沖激光沉積生長法生長出外延AlN薄膜。優選地，外延生長AlN薄膜是在襯底溫度為200 — 250°C、反應室壓力為10 mTorr,V/III比為50-60、生長速度為0.4-0. 6 ML/s的條件下進行的。用能量為2. 0-3. O J/cm2以及重復頻率為20-25HZ的KrF準分子激光(λ=248ηπι，t=20ns) PLD燒蝕AlN靶材，在沉積AlN薄膜時，生長室內壓力N2保持在IOmTorr,保證獲得高質量的AlN薄膜。金屬Ag襯底的化學性質不穩定，當外延溫度高于620°C時，外延氮化物會與金屬襯底之間發生界面反·應，嚴重地影響了外延薄膜生長的質量。因此，只有在低溫下才能保證Ag襯底的穩定性，從而充分利用其優點，獲得高質量氮化物薄膜。上述生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜可應用于LED器件、光電探測器、太陽能電池器件、激光器、薄膜體聲波諧振器等電器件中。與現有技術相比，本發明的有益效果是
I、米用了 Ag作為襯底,且選擇合適的晶體取向，一方面,Ag襯底導熱率高,有利于LED等相關器件的及時散熱；與此同時，Ag表面可以全面反射入射到襯底表面的光，有利于提高LED器件的出光效率。2、外延生長AlN薄膜是在襯底溫度為200 — 250°C下進行的，采用上述低溫外延技術在Ag襯底上先生長一層低溫AlN薄膜，能保證Ag襯底的穩定性，減少Ag離子的揮發造成的晶格失配和劇烈界面反應，從而為下一步的高質量GaN外延層打下良好基礎，使得本發明的AlN薄膜可作為生長高質量GaN基LED器件的緩沖層材料；加之其優異的熱導率，可作為制造GaN基垂直結構的LED器件，使得電流幾乎全部垂直流過氮化物LED的外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產生的熱量減小，對器件的散熱有利，提高了載流子的輻射復合效率，可大幅度提高氮化物器件，如半導體激光器、發光二極管及及陽能電池的效率。3、在外延生長AlN薄膜前進行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟，使襯底獲具有很高的動能，可有效縮短氮化物的形核時間，獲得高的AlN薄膜的生長速度，并保證所獲得的AlN薄膜的單一性優異。綜上所述，本發明的制備方法工藝獨特而簡單易行，具有生長速度快、可重復性好、外延生長的AlN薄膜晶體具有質量高、缺陷密度低等優點，可廣泛應用于半導體激光器、發光二極管、太陽能電池、聲波濾波器件等領域。
圖I為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的結構示意 圖2為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的反射高能電子衍射(RHEED)圖譜； 圖3為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的EBSD圖譜；圖4為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的原子力顯微鏡(AFM)圖譜；
圖5為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的X射線面掃描圖譜；
圖6為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的(0002)面X射線回擺曲線 圖7為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜應用在LED器件中的示意 圖8為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜應用在光電探測器中的示意 圖9為本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜應用在太陽能電池器件中的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例子對本發明作進一步詳細說明。實施例I
請參照圖I，本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜包括金屬Ag襯底層11、生長在金屬Ag襯底層11上的AlN薄膜層12。所述AlN薄膜層12為AlN單晶薄膜層或者AlN多
晶薄膜層。本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜是這樣得到的采用金屬Ag為襯底，選擇Ag襯底的(111)晶面偏向(100)方向O. 5 - 1°的晶體取向，在金屬單晶Ag(Ill)襯底上采用脈沖激光沉積生長法生長出外延AlN薄膜。外延AlN薄膜生長是在襯底溫度為200 - 250°C、反應室壓力為10 mTorr、V/III比為50-60、生長速度為O. 4-0. 6 ML/s的條件下進行的，具體是用能量為2. 0-3. O J/cm2以及重復頻率為20-25HZ的KrF準分子激光(入=248111114=20118) 0)燒蝕4^靶材(99.999 at%)，在沉積AlN薄膜時，生長室內壓力N2(99. 99999%)保持在 IOmTorr。實施例2
本實施例與實施例I的不同之處在于，在外延AlN薄膜生長之前，對襯底依次進行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟，具體方法如下
表面拋光處理將Ag襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，用光學顯微鏡觀察襯底表面沒有劃痕之后，再采用現有技術的化學機械拋光方法對襯底進行拋光處理。清洗將襯底放入去離子水中室溫下超聲波清洗，去除Ag襯底表面粘污顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物。退火將襯底放在壓強為2X 10 一 iciTorr的超高真空的生長室內，在450-550 °〇下高溫烘烤1-1. 5h以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。請參照圖5，從X射線面掃描圖譜中可以看到，AlN單晶薄膜在Ag襯底上外延生長，外延關系 AlN (0002) "Ag (111)。請參照圖6，從X射線回擺典線圖中可以看到，A1N(0002)薄膜的半峰寬(FWHM)值低于O. 7°，由此計算可知，其缺陷密度低于IOiciCnT2,表明在Ag(Ill)面上延生長出了低缺陷密度的高質量AlN薄膜。請參照圖2，從反射高能電子衍射(RHEED)圖譜中表明，當AlN緩沖層的厚度達到IOOnm時，RHEED圖譜從斑點狀圖樣轉變為條狀圖樣，說明在AlN緩沖層上長出了高結晶度的AlN薄膜。請參照圖3，從A1N〈11_24>的一個極上用電子背散射衍射觀測，其圖譜(EBSD)中可以清晰的看到AlN六次旋轉對稱并且AlN薄膜中沒有30°旋轉域，說明高質量AlN薄膜中沒有立方相的A1N。請參照圖4，用原子力顯微鏡(AFM)對AlN薄膜表面的測試，其表明粗糙度RMS值低于I. 2 nm，表明獲得表面光滑的高質量AlN薄膜。采用掃描電鏡SEM厚度測試，測試結果表明，該方法生長AlN單晶薄膜的生長速率為800nm/h，優于MBE生長AlN單晶薄膜的速度，已達到MOCVD生長AlN單晶薄膜的速度，十分適合于工業化生產。綜上所述，無論是在缺陷密度、表面粗糙度、還是在結晶質量方面，采用PLD在金屬Ag上獲得的AlN薄膜具有優異性能，優于目前已經報道的應用傳統襯底獲得的AlN薄膜的相關結果。實施例3生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜在LED器件中的應用
請參照圖7，將實施例2獲得的AlN薄膜應用到LED器件中的方法，其包括在Ag (111)晶面上外延生長高質量AlN薄膜，形成AlN薄膜層10后，依次生長高質量的U-GaN薄膜層11，η型摻硅GaN外延層12，InxGa1^xN多量子阱層13，ρ型摻鎂GaN層14，具體如下
在U-GaN薄膜層11上生長η型摻硅GaN外延層12，其厚度約為5 um,其載流子的濃度為I X IO19CnT 3。接著生長InxGa^N多量子阱層13，厚度約為112 nm,周期數為7，其 中InxGa^xN講層為3 nm,魚層為13 nm, O < x < I。之后再生長Mg摻雜的ρ型摻鎂GaN層14，厚度約為350 nm,其載流子濃度為2 X 1016cm_ 3。最后電子束蒸發形成歐姆接觸。在此基礎上通過在N2氣氛下退火，提高了 ρ型摻鎂GaN層14的載流子濃度和遷移率。實施例4生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜在光電探測器中的應用
請參照圖8，將實施例2獲得的AlN薄膜應用到光電探測器的方法，其中包括Ag (111)晶面上外延生長高質量AlN薄膜，形成AlN薄膜層20后，依次生長高質量的U-GaN薄膜層21，η型摻硅GaN外延層22，非摻雜GaN層23，ρ型摻鎂GaN層24。在AlN薄膜20上生長U-GaN薄膜層21，其厚度約為300nm;在U-GaN薄膜層21上生長η型摻硅GaN外延層22，其厚度約為3 um，其載流子的濃度為I X1019cm_3。接著生長非摻雜GaN外延層23，厚度約為200 nm，其載流子濃度為2. 2 X IO16CnT 3。之后再生長Mg摻雜的ρ型摻鎂GaN層24，厚度約為I. 5 um。最后電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結。在此基礎上通過在N2氣氛下退火，提高了 ρ型摻鎂GaN層24的載流子濃度和遷移率。所制備的P -i -η結構的GaN紫外光電探測器在I V偏壓下，暗電流僅為65 ρΑ,并且器件在I V偏壓下，在361 nm處響應度的最大值達到了 O. 92 A/W。實施例5生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜在太陽能電池器件中的應用
請參照圖9，將實施例2獲得的AlN薄膜應用到太陽能電池器件的方法，其中包括Ag (111)晶面上外延生長高質量AlN薄膜，形成AlN薄膜層30后，再生長高質量的GaN薄膜層31和具有成分梯度的InxGa^N緩沖層32，η型摻硅InxGa^N層33，InxGa1^xN多量子阱層 34，ρ 型摻鎂 InxGai_xN 層 35。在AlN薄膜層30上生長高質量的GaN薄膜層31 ;接著生長具有成分梯度的InxGa1^xN緩沖層32，其x的值可以在0-0. 2之間可調；然后生長η型摻硅InxGai_xN層33，其厚度約為5 um，其載流子的濃度為I XlO19CnT 3，0 < X < I。接著生長InxGapxN多量子阱層34，厚度約為300 nm,周期數為20，O < x < 1，其中Ina2Gaa8N阱層為3 nm,In0.08Ga0.92N壘層為10 nm。再生長Mg摻雜的ρ型摻鎂InxGai_xN層35，厚度約為200 nm,
O< X < I，其載流子濃度為2 X IO16CnT 3。最后電子束蒸發形成歐姆接觸。在此基礎上通過在N2氣氛下退火，提高了 ρ型摻鎂InxGahN層35的載流子濃度和遷移率。上述實施例僅為本發明的優選實施方式，不能以此來限定本發明的保護范圍，本 領域的技術人員在本發明的基礎上所做的任何非實質性的變化及替換均屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于采用金屬Ag為襯底，選擇Ag襯底的(111)晶面偏向(100)方向0.5—1°的晶體取向，在金屬單晶Ag(Ill)襯底上生長出外延AlN薄膜。
2.如權利要求I所述的金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于外延AlN薄膜為外延AlN單晶薄膜或者外延AlN多晶薄膜。
3.如權利要求I所述的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于在外延AlN薄膜生長之前，對襯底依次進行表面拋光、清洗、退火的前處理步驟。
4.如權利要求3所述的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于表面拋光處理步驟的具體方法是將Ag襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，用光學顯微鏡觀察襯底表面沒有劃痕之后，再采用現有技術的化學機械拋光方法對襯底進行拋光處理。
5.如權利要求3所述的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于清洗步驟的具體方法是將襯底放入去離子水中室溫下超聲波清洗，去除Ag襯底表面粘污顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物。
6.如權利要求3所述的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于退火的具體方法是將襯底放在壓強為2X 10 —ltlTorr的超高真空的生長室內，在450-550 °〇下高溫烘烤1-1. 5h以除去襯底表面的污染物，然后空冷至室溫。
7.如權利要求I所述的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于在金屬單晶Ag(Ill)襯底上采用脈沖激光沉積生長法生長出外延AlN薄膜。
8.如權利要7所述的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜的制備方法，其特征在于外延生長AlN薄膜是在襯底溫度為200 - 250°C、反應室壓力為10 mTorr、V/III比為50-60、生長速度為O. 4-0. 6 ML/s的條件下進行的。
9.權利要求I至8任意一項所述的制備方法所制得的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜。
10.權利要求9所述的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜在LED器件、光電探測器、太陽能電池器件、激光器、薄膜體聲波諧振器中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜，其采用金屬Ag為襯底，選擇Ag襯底的(111)晶面偏向(100)方向0.5－1°的晶體取向，在金屬單晶Ag(111)襯底上采用脈沖激光沉積生長法生長出外延AlN薄膜。本發明的生長在金屬Ag襯底上的AlN薄膜可應用于LED器件、光電探測器、太陽能電池器件、激光器、薄膜體聲波諧振器中。本發明采用了Ag作為襯底，且選擇合適的晶體取向，無論是在缺陷密度、表面粗糙度、還是在結晶質量方面均具有優異性能，優于目前已經報道的應用傳統襯底獲得的AlN薄膜的相關結果。
文檔編號H01L33/02GK102945898SQ20121048513
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司