[發(fā)明專利]一種可優(yōu)化表面平整度的氮化鋁單晶薄膜制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911373618.1
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111005072B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳貴鋒;謝路肖;張輝;張銀;解新建;劉國棟
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40;C30B25/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種可優(yōu)化表面平整度的氮化鋁單晶薄膜制備方法，該方法是以氮?dú)鉃榈?，以鋁顆粒作為鋁源，在異質(zhì)襯底上基于特制裝置制得，整個制備過程分為五個階段：首先控制源區(qū)和生長區(qū)同時加熱至400～500℃，保溫10～20分鐘，接著控制源區(qū)溫度升至1100～1400℃，生長區(qū)溫度保持，保溫10～20分鐘，緊接著控制生長區(qū)溫度升至1100～1200℃，源區(qū)溫度不變，保溫生長5～10分鐘，緊接著源區(qū)溫度1300～1400℃，生長區(qū)升溫至1350～1550℃，保溫1～3小時，各過程中調(diào)控氬氣、氮?dú)獾耐ㄈ氡壤?，最后關(guān)閉氬氣，冷卻至室溫后取出樣品。本發(fā)明的方法生長氮化鋁單晶薄膜不僅結(jié)晶質(zhì)量高，表面較為平整且可獲得自支撐薄膜，而且還具有成本低、生長速度快、無危險氣體、綠色環(huán)保等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及在一種可優(yōu)化表面平整度的氮化鋁單晶薄膜制備方法。

背景技術(shù)

氮化鋁屬于Ⅲ-Ⅴ氮化物，具有極高的禁帶寬度(6.2eV)，具有高的熱導(dǎo)率，優(yōu)異的介電性能、聲波傳輸特性，具有優(yōu)良的壓電性能以及較大的禁帶寬度，可以作為新型高密度封裝基板材料，大功率電路模塊的基板材料。單晶AlN材料有著更少的缺陷，界面態(tài)密度更低，因此基于單晶AlN的器件性能遠(yuǎn)強(qiáng)于非晶或多晶AlN基器件，例如單晶AlN薄膜材料的壓電系數(shù)可達(dá)到多晶材料的5-8倍，生長缺陷少、質(zhì)量高的單晶AlN薄膜已成為AlN器件應(yīng)用的基本要求，尤其在紫外與深紫外發(fā)光器件領(lǐng)域，用AlN單晶材料當(dāng)襯底的紫外與深紫外發(fā)光器件的發(fā)光效率比藍(lán)寶石襯底高一倍甚至更高。

采用現(xiàn)有方法制備氮化鋁薄膜往往是直接在襯底上生長氮化鋁薄膜，這一方面必然會面臨在后續(xù)應(yīng)用中需要將氮化鋁薄膜與襯底進(jìn)行機(jī)械剝離從而引入機(jī)械損傷的問題，另一方面會因為氮化鋁與襯底間存在晶格失配從而在氮化鋁晶體中引入應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜表面平整度較差，正如日本東京大學(xué)的Yoichi Kawakami小組所報道的一樣，采用此方法生長薄膜導(dǎo)致薄膜表面不平整的問題并沒有找到合適的解決方法，這些都會限制氮化鋁單晶薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。針對第一方面的問題，我們研究了一種氮化鋁單晶薄膜的制備方法CN110219050A)，在該方法中，我們采用特制生長裝置，以具有氮化鎵層的藍(lán)寶石作為襯底，先進(jìn)行低溫氮化鋁沉積再進(jìn)行高溫氮化鋁生長，使得在低溫時氮化鋁獲得形核點，再在高溫時氮化鋁不斷沉積生長的過程中氮化鎵不斷的分解，從而使得生長的氮化鋁單晶薄膜與藍(lán)寶石襯底之間可以逐漸分離，不僅有利于釋放生長應(yīng)力，獲得高質(zhì)量的單晶，而且最終可實現(xiàn)獲得自支撐氮化鋁單晶薄膜直接應(yīng)用或極大降低機(jī)械剝離的難度；然而對于另一方面即薄膜表面平整度的問題，該方法依然不能令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可優(yōu)化表面平整度的氮化鋁單晶薄膜制備方法，該方法通過一種自制的類氫化物氣相外延(HVPE)設(shè)備實現(xiàn)，是一種工藝簡單、成本較低、效率高且綠色環(huán)保的在異質(zhì)襯底上外延生長單晶氮化鋁薄膜的制備方法，且該方法可以實現(xiàn)薄膜表面的平整度的大幅提升以及氮化鋁單晶薄膜的自支撐，避免薄膜與襯底機(jī)械剝離引入機(jī)械損傷。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種可優(yōu)化表面平整度的氮化鋁單晶薄膜制備方法，該方法是采用特制生長裝置，以藍(lán)寶石為襯底，先對襯底進(jìn)行預(yù)處理后，再進(jìn)行低高溫兩段生長氮化鋁；

所述的特制生長裝置包括石英管和同軸套設(shè)于石英管內(nèi)并位于石英管一端的剛玉管，襯底放置于石英管內(nèi)另一端且距剛玉管管口5～10cm，石英管內(nèi)可通氣可抽真空，剛玉管端部可單獨(dú)通入氣體但另一端開放；制備時將鋁顆粒置于剛玉管內(nèi)作為源區(qū)，襯底為生長區(qū)；

所述的預(yù)處理如下：石英管內(nèi)抽真空至1Pa以下，石英管內(nèi)通少量氮?dú)猱?dāng)保護(hù)氣，在剛玉管內(nèi)通入氬氣，生長區(qū)和源區(qū)均加熱至400～500℃，保溫10～20分鐘，再控制源區(qū)溫度升至1100～1400℃，生長區(qū)溫度保持，保溫10～20分鐘；