[發(fā)明專利]一種生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103996612B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李國強
• 申請（專利權(quán)）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(qū)哲力專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)44288
• 代理人: 湯喜友

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬有機化學(xué)氣相沉積法合成膜的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及生長在金屬Al襯底上的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明主要應(yīng)用在聲波諧振器、邏輯電路、發(fā)光二極管、光電薄膜器件，太陽能電池、光電二極管、光電探測器、激光器等的介電層薄膜。

背景技術(shù)

發(fā)光二極管(LED)作為一種新型固體照明光源和綠色光源，具有體積小、耗電量低、環(huán)保、使用壽命長、高亮度、低熱量以及多彩等突出特點，在室外照明、商業(yè)照明以及裝飾工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在全球氣候變暖問題日趨嚴(yán)峻的背景下，節(jié)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(chǔ)的低碳經(jīng)濟，將成為經(jīng)濟發(fā)展的重要方向。在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀(jì)將是以LED為代表的新型照明光源的時代。但是現(xiàn)階段LED的應(yīng)用成本較高，發(fā)光效率較低，這些因素都會大大限制LED向高效節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。

III族氮化物AlN在電學(xué)、光學(xué)以及聲學(xué)上具有極其優(yōu)異的性質(zhì)，近幾年受到廣泛關(guān)注。AlN是直接帶隙材料，且聲波傳輸速度快，化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低，擊穿介電強度高，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的發(fā)光效率現(xiàn)在已經(jīng)達到28％并且還在進一步的增長，該數(shù)值遠遠高于目前通常使用的白熾燈(約為2％)或熒光燈(約為10％)等照明方式的發(fā)光效率。數(shù)據(jù)統(tǒng)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(jié)省接近一半的照明用電，超過三峽工程全年的發(fā)電量。因照明而產(chǎn)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，GaN基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(xiàn)大規(guī)模廣泛應(yīng)用，需要進一步提高LED芯片的發(fā)光效率。雖然LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過日光燈和白熾燈，但是商業(yè)化LED發(fā)光效率還是低于鈉燈(150lm/w)，單位流明/瓦的價格偏高。目前，LED芯片的發(fā)光效率不夠高，一個主要原因是由于其藍寶石襯底造成的。由于藍寶石與GaN的晶格失配高達17％，導(dǎo)致外延GaN薄膜過程中形成很高的位錯密度，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GaN基器件的性能。其次，由于室溫下藍寶石熱膨脹系數(shù)(6.63×10^-6/K)較GaN的熱膨脹系數(shù)(5.6×10^-6/K)大，兩者間的熱失配度約為-18.4％，當(dāng)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(dǎo)致薄膜和襯底的龜裂。再次，由于藍寶石的熱導(dǎo)率低(100℃時為0.25W/cm·K)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時排出，導(dǎo)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。此外，由于藍寶石是絕緣體，不能制作垂直結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件。因此電流在器件中存在橫向流動，導(dǎo)致電流分布不均勻，產(chǎn)生較多熱量,很大程度上影響了GaN基LED器件的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。

因此迫切尋找一種熱導(dǎo)率高可以快速地將LED節(jié)區(qū)的熱量傳遞出來的材料作為襯底。而金屬Al作為外延氮化物的襯底材料，具有三大其獨特的優(yōu)勢。第一，金屬Al有很高的熱導(dǎo)率，Al的熱導(dǎo)率為2.37W/cm·K，可以將LED芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時的傳導(dǎo)出，以降低器件的節(jié)區(qū)溫度，一方面提高器件的內(nèi)量子效率，另一方面有助于解決器件散熱問題。第二，金屬Al可以作為生長GaN基垂直結(jié)構(gòu)的LED器件的襯底材料，可直接在襯底上鍍陰極材料，P-GaN上鍍陽極材料，使得電流幾乎全部垂直流過GaN-基的外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產(chǎn)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-GaN層和有源層將電極連在N-GaN層，這樣充分利用了有源層的材料。第三，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，金屬襯底現(xiàn)已被嘗試用作III族氮化物外延生長的襯底材料。

但是金屬Al襯底在化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，當(dāng)外延溫度高于700℃的時候，外延氮化物會與金屬襯底之間發(fā)生界面反應(yīng)，嚴(yán)重影響了外延薄膜生長的質(zhì)量。III族氮化物外延生長的先驅(qū)研究者、著名科學(xué)家Akasaki等人就曾嘗試應(yīng)用傳統(tǒng)的MOCVD或者MBE技術(shù)直接在化學(xué)性質(zhì)多變的襯底材料上外延生長氮化物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄膜在高溫下外延相當(dāng)困難。

發(fā)明內(nèi)容