[發明專利]一種生長在金屬鋁襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410239341.4
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103996610B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 李國強
• 申請（專利權）人: 廣州市眾拓光電科技有限公司
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;H01L33/00;H01L33/02;H01L31/18;H01L31/0248
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙)44288
• 代理人: 湯喜友

技術領域

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

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

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℃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。

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。

但是金屬Al襯底在化學性質不穩定，當外延溫度高于620℃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

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。

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。

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。

為實現上述目的本發明所采用的技術方案如下：

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)。

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。

作為本發明的一種優選的方案，所述AlN薄膜的厚度為100～300nm。

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：

(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)AlN氮化層的外延生長：襯底溫度調為500～600℃，在反應室的壓力為6.0～7.2×10^-5Pa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；

在上述方法中，發明人研究發現，在500～600℃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。

作為本發明的一種優選的方案，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。