一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應用的制作方法
【專利摘要】本發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，晶體外延取向關系為AlN(0001)//Al(111)。本發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薄膜的質量。本發明所述的生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜在主要應用于LED器件以及光電探測器領域中。
【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用
【技術領域】
[0001]本發明涉及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用。
【背景技術】
[0002]AlN是一種III族化合物，一般以六方晶系中的纖鋅礦結構存在，有許多優異的性能，如高的熱傳導性、低的熱膨脹系數、高的電絕緣性質、高的介質擊穿強度、優異的機械強度、優異的化學穩定性和低毒害性、良好的光學性能等。由于AlN有諸多優異性能，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用
[0003]AlN薄膜必須具有較高的結晶質量，才能滿足以上多方面的應用。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。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，最終影響器件的性能。
[0004]因此迫切尋找一種熱導率高可以快速地將器件內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)，可以將器件內產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基垂直結構的器件的襯底材料，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。正因為上述諸多優勢，金屬Al襯底現已被嘗試用作AlN外延生長的襯底材料。
[0005]但是金屬Al襯底在化學性質不穩定，當外延溫度高于620°C的時候，外延氮化物會與金屬Al襯底之間發生界面反應，嚴重影響了外延薄膜生長的質量。
【發明內容】
[0006]為克服現有技術的缺陷，本發明的在于提供一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜，提高AlN薄膜的質量、擴大應用范圍。
[0007]本發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薄膜的質量。
[0008]本發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用。
[0009]為實現上述目的本發明所采用的技術方案如下:
[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，晶體外延取向關系為AlN(0001)//Al (111)。
[0011]在本發明中氮化層可以提供模板，為接下來外延生長高質量AlN薄膜奠定基礎，因此，作為本發明的一種優選的方案，所述AlN氮化層的厚度為5~10nm。 [0012]作為本發明的一種優選的方案，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:襯底溫度調為500~600°C，在反應室的壓力為6.0~
7.2 X 10?的氮的等離子體氣氛內，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，發明人研究發現，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，同時為氮化生成AlN氮化層提供足夠多的生長能量。
[0019]作為本發明的一種優選的方案，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]作為本發明的一種優選的方案，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]在本發明中，發明人發現退火處理可使襯底獲得原子級平整的表面。作為本發明的一種優選的方案，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，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]作為本發明的一種優選的方案，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用。
[0024]相比現有技術，本發明的有益效果在于:
[0025]I)本發明使用Al作為襯底，Al襯底容易獲得，價格便宜，有利于降低生產成本；
[0026]2)本發明使用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，為下一步沉積高質量低缺陷的AlN薄膜做鋪墊；
[0027]3)本發明制備得到的AlN薄膜，由于半峰寬數值小，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力，減少位錯的形成，有利于高質量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、發光二極管及太陽能電池的發光效率；
[0028]4)本發明的采用脈沖激光沉積技術生長AlN薄膜，由于脈沖激光照射能為薄膜前驅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)本發明的工藝操作簡單，易重復，
[0030]下面結合附圖與具體的實施方式對本發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薄膜的結構示意圖。
[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，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:襯底溫度調為600°C，在反應室的壓力為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已經進入二維橫向生長。
[0043]綜上，無論是結構性質還是在表面性質上，都具有非常好的性能，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。
[0044]實施例2
[0045]與實施例1的區別是: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，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:襯底溫度調為550°C，在反應室的壓力為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，最后電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結；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處響應度的最大值達到了 0.92A/W。
[0054]上述實施方式僅為本發明的優選實施方式，不能以此來限定本發明保護的范圍，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所要求保護的范圍。
【權利要求】
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，晶體外延取向關系為AlN(0001)//Al (111)。
2.根據權利要求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.根據權利要求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:襯底溫度調為500~600°C，在反應室的壓力為6.0~7.2 X 10?的氮的等離子體氣氛內，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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，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.根據權利要求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 優先權日:2014年5月30日
【發明者】李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司