[發明專利]生長在Cu襯底的AlN薄膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410240984.0
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103996615B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 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，特別是涉及一種生長在Cu襯底的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Cu作為外延AlN的襯底材料，具有三大其獨特的優勢。第一，金屬Cu有很高的熱導率(398W/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。第二，金屬Cu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。第三，金屬Cu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Cu襯底現已被嘗試用作AlN外延生長的襯底材料。

但是金屬Cu襯底化學性質的不穩定，當外延溫度高于700℃的時候，外延氮化物會與金屬Cu襯底之間發生界面反應，嚴重影響了外延薄膜生長的質量。III族氮化物外延生長的先驅研究者、著名科學家Akasaki等人就曾嘗試應用傳統的MOCVD或者MBE技術直接在化學性質多變的襯底材料上外延生長氮化物，結果發現薄膜在高溫下外延相當困難。由此看來，要在金屬Cu襯底進行AlN薄膜的生長，必須在較低的溫度下進行。但如何在Cu襯底實現高質量AlN外延生長以獲得高質量的生長在Cu襯底的AlN薄膜仍是一個技術問題。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種生長在Cu襯底的AlN薄膜及其制備方法和應用，本發明采用的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Cu襯底上外延生長AlN薄膜提供了重要的保證，從而獲得晶體質量好的生長在Cu襯底的AlN薄膜。

為解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：

生長在Cu襯底的AlN薄膜，包括Cu襯底、AlN緩沖層和AlN薄膜，所述AlN緩沖層生長在Cu襯底上，所述AlN薄膜生長在AlN緩沖層上；所述Cu襯底以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。

優選的，所述AlN緩沖層的厚度為30-50nm，所述AlN薄膜的厚度為100-300nm。

生長在Cu襯底的AlN薄膜的制備方法，包括：

1)襯底以及其晶向的選取：采用Cu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的(0001)面平行于Cu的(111)面；

2)襯底表面處理：對Cu襯底表面進行拋光、清洗以及退火處理；

3)在步驟2)處理后的Cu襯底上依次進行AlN緩沖層、AlN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的AlN薄膜。

優選的，所述AlN緩沖層的外延生長工藝條件為：Cu襯底溫度為400-500℃，反應室壓力為6.0-7.2×10^-5Pa，生長速度為0.4-0.6ML/s。

優選的，所述AlN薄膜的外延生長工藝條件為：采用脈沖激光沉積技術生長工藝，Cu襯底溫度為400-500℃，反應室壓力為4.0-5.0×10^-5Pa，生長速度為0.6-0.8ML/s。