CN106504980A - 一种氮化铝单晶薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体为一种氮化铝（AlN）单晶薄膜的制备方法。本发明使用ZnO单晶基片或其他异质材料作为衬底，使用原子层沉积镀膜（ALD）方法生长AlN薄膜，把清洗好的衬底放入反应腔，反应腔温度设为250‑500 oC，使用三甲基铝（TMA）和氨气（NH3）等作为反应前驱体，交替通入反应腔进行生长AlN薄膜。最终外延生长出非极性（100）方向的AlN单晶薄膜。本发明是在低温条件下实现了AlN材料的外延生长，极大降低生长温度和对真空度的要求，其工艺简单，减少了AlN单晶的生长成本，并可以与现有的半导体生长工艺兼容。本发明在基于AlN的深紫外发光器件、压电器件、表面与体声波器件、场发射器件、III‑IV族氮化物器件的缓冲层等方面有着广阔的应用前景。

Description

一种氮化铝单晶薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体涉及在ZnO单晶片或异质衬底上低温条件下外延生长单晶氮化铝（AlN）薄膜的方法。
技术背景
AlN是III-IV族氮化物材料的一种，它具有极高的禁带宽度（6.2 eV）、优良的压电响应、良好的热传导和热稳定性、极低的电子亲和势，在深紫外发光二极管、表面与体声波器件、压电器件、场发射器件、III-IV族氮化物器件的缓冲层等方面有着巨大的应用潜力。相比于多晶结构，AlN单晶材料的缺陷更少，界面态密度更低低，因此基于单晶AlN的器件性能远强于非晶或多晶AlN基器件，例如单晶AlN薄膜的压电系数是多晶AlN薄膜的5-8倍，生长单晶AlN薄膜已成为AlN材料和器件应用的基本要求。另外，AlN容易沿着（0001）极性面的法线方向择优生长，这种薄膜容易由于极化和压电效应产生内建电场，从而减少载流子复合几率，极大的影响发光器件的性能，因此研究非极性面AlN的发光器件引起了人们的广泛兴趣。
目前已经有多种方法被用来生长单晶AlN薄膜，包括有机金属气相沉积法（MOCVD）、分子束外延（MBE）和脉冲激光沉积法（PLD）等。然而，这些生长方法有些需要极高的生长温度，有些需要极高的真空度，例如使用MOCVD和MBE法生长AlN单晶薄膜所需的温度都在700 oC以上，而使用PLD方法生长单晶AlN薄膜的背景压强要求在10-10 Torr量级，这说明这些方法生长AlN单晶需要极大的能耗和成本。而ALD技术可以在较低温度和低真空条件下生长薄膜，由于它是自限制的表面反应，可以对薄膜厚度的精确控制，以往使用ALD技术生长的AlN薄膜都为多晶或非晶结构，ALD技术外延生长单晶AlN薄膜从未见文献报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种在ZnO单晶片或异质衬底上低温条件下外延生长单晶氮化铝（AlN）薄膜的方法。
本发明提供的低温条件下外延生长单晶氮化铝（AlN）薄膜的方法，使用原子层沉积镀膜（ALD）技术，以ZnO（100）单晶基片或其他异质材料作为衬底，在其上ALD生长AlN单晶薄膜。反应温度在250-500℃之间，交替通入Al和N元素的反应前驱体，最终生长出非极性的AlN （100）单晶薄膜。制备的具体步骤为：
（1）衬底处理：先用去离子水漂洗去除衬底上可能粘附的粉尘颗粒；再放入丙酮溶液超声去除表面可能存在的有机物；放入无水乙醇溶液超声去除表面粘附的丙酮溶液和有机杂质；用去离子水漂洗干净后高纯氮气吹干备用；
（2）薄膜制备：把反应腔温度设为200-500℃之间，交替通入Al和N元素的前驱体，在衬底上生长AlN单晶薄膜。
本发明中，所述的衬底为m-plane ZnO（100）单晶片，GaN单晶片或蓝宝石衬底等。
本发明中，所述生长AlN单晶薄膜的为普通热生长ALD方法，或等离子助原子层沉积（PEALD）方法。
本发明中，所述的AlN单晶薄膜的厚度可低至1 nm，沿着（100）非极性面的法线方向生长。
本发明中，所述的反应前驱体中，Al元素的前驱体为三甲基铝（TMA）或三氯化铝（AlCl3），N元素的前驱体为氨气（NH3）、氢气（N2）等离子体或氮氢混合气（N2/H2）等离子体。
本发明中，所述的Al和N源的温度为18-25℃，反应腔的温度保持在200-500℃之间，反应基压为1 Torr。
有益效果
本发明具有以下优点：
（1）ALD生长的AlN薄膜的厚度精确可控；
（2）生长温度很低，可以与半导体工艺兼容，大大降低了生长成本；
（3）生长工艺简单，不需要过渡层；
（4）AlN单晶薄膜沿（100）非极性面法线方向生长，有利于AlN基深紫外发光器件的应用。
附图说明
图1 为本发明在单晶衬底上生长AlN单晶薄膜的结构示意图。
图2 为本发明在ZnO单晶衬底上生长AlN单晶薄膜的TEM图与其局部放大图。
图3为本发明在ZnO单晶衬底上生长AlN单晶薄膜的TEM图界面处对应的SAED图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施实例对本发明作进一步说明。
清洗ZnO（100）单晶片，步骤如下：先用去离子水漂洗去除可能粘附的粉尘颗粒；放入丙酮溶液超声180 s，去除表面可能存在的有机物；放入无水乙醇溶液超声180 s，去除表面粘附的丙酮溶液和有机杂质；把ZnO单晶片用去离子水漂洗干净后高纯氮气吹干备用。
用热ALD技术在ZnO单晶片上生长AlN薄膜。使用TMA和高纯NH3作为反应源，源的温度都设为为20℃，生长温度为360℃，反应基压为1 Torr。一个标准的ALD生长AlN的周期如下：将TMA通入反应腔，脉冲时间0.2 s；氩气吹扫2 s去除反应残余物和气态副产物；通入NH3，脉冲时间0.6 s；氩气吹扫9 s。生长300循环可以得到厚度~40 nm的AlN单晶薄膜。
图2是ZnO单晶片上ALD生长300循环AlN薄膜的高分辨TEM图及其框出部分的局部放大图，可以看出，AlN薄膜具有优良的单晶性能，图中标出的晶格间距0.270和0.249 nm分别对应AlN（100）和（002）方向（PDF no. 25-1133），界面处对应的SAED图（图3）也进一步证实AlN的单晶结构。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，使用原子层沉积镀膜技术，其特征在于，具体步骤为：
（1）衬底处理：先用去离子水漂洗去除衬底上可能粘附的粉尘颗粒；再放入丙酮溶液超声去除表面可能存在的有机物；放入无水乙醇溶液超声去除表面粘附的丙酮溶液和有机杂质；用去离子水漂洗干净后高纯氮气吹干备用；
（2）薄膜制备：把反应腔温度设为200-500℃之间，交替通入Al和N元素的前驱体，在衬底上生长AlN单晶薄膜。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所用衬底为m-plane ZnO（100）单晶片、GaN单晶片或蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的AlN单晶薄膜沿着（100）非极性面的法线方向生长。
4. 根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的AlN单晶薄膜的厚度低至1 nm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的ALD为普通热生长ALD方法，或者等离子助原子层沉积（PEALD）方法。
6.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述Al元素的前驱体为所三甲基铝，三氯化铝，N元素的前驱体为氨气、氮气等离子体或氮氢混合气（N2/H2）等离子体。
7. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述Al和N前驱体的温度为18-25℃，反应腔的温度保持在200-500℃之间，反应基压为1-10 Torr。
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