CN107799640A - 一种高光效P型非极性AlN薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高光效P型非极性AlN薄膜及其制备方法，包括从下至上依次设置的M面蓝宝石衬底层、非极性ZnO薄膜层、Ag纳米粒子层、非极性P‑AlN薄膜层、重掺杂非极性P‑AlN薄膜层、Pt纳米粒子层，本发明使用Ag纳米粒子作为掩膜，促进横向过生长，提高P‑AlN薄膜的质量，Ag纳米粒子具有局域表面离子体增强效应，可以大幅度提高P‑AlN的光效，相对现有技术提高至少8‑12倍；在P型非极性AlN薄膜表面使用Pt纳米粒子对P‑AlN进行二次增强，抑制缺陷发光；Pt纳米粒子与界面处的Ag纳米粒子形成二次反射镜面，可以在较大程度上提高薄膜的光提取效率；另外通过使用Mg、F共掺杂进一步提高P‑AlN薄膜的掺杂浓度和空穴浓度，提高器件的性能，其中空穴浓度相对现有技术提高至少3个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种AlN薄膜技术领域，尤其是一种高光效P型非极性AlN薄膜及其制备方法。
背景技术
AlN是Ⅲ-V族化合物，一般以六方晶系中的纤锌矿结构存在，有许多优异的性能，如高的热传导性、低的热膨胀系数、高的电绝缘性质、高的介质击穿强度、优异的机械强度、
优异的化学稳定性和低毒害性、良好的光学性能等。由于AlN有诸多优异性能，带隙宽、极化强，禁带宽度为6.2eV，使其在机械、微电子、光学，以及电子元器件、声表面波器件制造、高频宽带通信和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。
目前，AlN的应用主要体现在以下几个方面：压电材料、外延缓冲层材料、发光层材料、医疗材料。一方面，由于AlN材料具有电子漂移饱和速率高、热导率高、介质击穿强度高等优异特性，其在高频、高温、高压电子器件领域有着巨大的潜力，而纤锌矿结构的AlN薄膜具有高速率声波学的压电特性，其表面声学在已知压电材料中最高，并具有较大的机电耦合系数，因此AlN是用于制备高频表面波器件的优选材料。另一方面，由于AlN具有高热导、低热膨胀以及较宽带隙的优点，而且与GaN晶格有较好的匹配，用AlN作为缓冲层可以有效提高GaN、InN外延薄膜的晶体质量，明显改善其电学与光学性能。另外，AlN可以作为蓝光紫外光的发光材料，紫外光在杀菌、医疗、检测、植物生长、报警等领域具有非常广泛的应用前景，如果进行掺杂或者制作复合膜，发光光谱将覆盖整个可见光区域，但是该材料掺杂困难，并且掺杂之后，AlN的晶体质量变差，光学性能很差。
AlN薄膜必须具有较高的结晶质量，才能满足以上多方面的应用。目前常用于制备AlN薄膜的方法有化学气相沉积法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法以及分子束外延法等。然而，绝大多数的制备方法要求将衬底加热到较高的温度，但较高的温度可能会导致衬底材料的损伤，这是AlN薄膜制备的一大难题。并且，要达到生长高质量AlN晶体的要求，则需要复杂的设备仪器，造价昂贵，且单个薄膜的生长速度较慢，单个样品的成本过高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高光效P型非极性AlN薄膜及其制备方法。
本发明的技术方案为：一种高光效P型非极性AlN薄膜，包括M面蓝宝石衬底层、非极性ZnO薄膜层、Ag纳米粒子层、非极性P-AlN薄膜层、P-AlN盖帽层、Pt纳米粒子层，所述的M面蓝宝石衬底层上生长有非极性ZnO薄膜层，所述的非极性ZnO薄膜层上端生长有Ag纳米粒子层，所述的Ag纳米粒子层上端生长有非极性P-ALN薄膜层，所述的非极性P-AlN薄膜层上端设置有P-AlN盖帽层，所述P-AlN盖帽层上端溅射有Pt纳米粒子层，其中，所述的P-AlN盖帽层采用Mg、F共掺杂得到。
优选的，所述的非极性ZnO薄膜层的厚度为30-200nm。
优选的，所述的Ag纳米粒子层是厚度为8-12nm。
优选的，所述的非极性P-AlN薄膜层的厚度为300-800nm。
优选的，所述的P-AlN盖帽层的厚度为20-50nm。
优选的，所述Pt纳米粒子层的Pt纳米粒子的直径为2-30nm。
本发明还提供一种高光效P型非极性AlN薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
S1)、在M面蓝宝石衬底层上使用PECVD生长30-200nm的非极性ZnO薄膜层；
S2)、然后在非极性ZnO薄膜层上外延一层厚度为8-12nm的Ag膜，然后在850℃快速退火1-2min，得到Ag纳米粒子层；
S3)、将上述转移至MOCVD中生长非极性P-AlN薄膜层，然后采用Mg、F共掺杂非极性P-AlN薄膜层，得到P-AlN盖帽层；
S4)、重掺杂生长结束后，溅射8-15nm的Pt膜，在750-950℃下，快速退火30-100s，得到直径为2-30nm的Pt纳米粒子层，从而得到高光效P型非极性AlN薄膜。
本发明的有益效果为：
1、使用Ag纳米粒子作为掩膜，促进横向过生长，诱导位错湮灭，提高P-AlN薄膜的质量，同时，Ag纳米粒子具有局域表面等离子体增强效应，可以大幅度提高P-AlN的光效，相对现有技术提高至少8-12倍；
2、在P型非极性AlN薄膜表面使用Pt纳米粒子对P-AlN进行二次增强，抑制缺陷发光；同时，Pt纳米粒子与界面处的Ag纳米粒子形成二次反射镜面，可以在较大程度上提高薄膜的光提取效率；
3、通过使用Mg、F共掺杂进一步提高P-AlN薄膜的掺杂浓度和空穴浓度，提高器件的性能，其中空穴浓度相对现有技术提高至少3个数量级；
4、通过Ag、Pt纳米粒子有利于降低P-AlN薄膜的电阻和接触电阻，提高空穴的注入效率；同时降低Mg受主激活能。
附图说明
图1为本发明高光效P型非极性AlN薄膜的结构示意图。
图中，1-M面蓝宝石衬底层，2-非极性ZnO薄膜层，3-Ag纳米粒子层，4-非极性P-AlN薄膜层，5-P-AlN盖帽层，6-Pt纳米粒子层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，一种高光效P型非极性AlN薄膜，包括从下至上依次设置的M面蓝宝石衬底层1、非极性ZnO薄膜层2、Ag纳米粒子层3、非极性P-AlN薄膜层4、P-AlN盖帽层5、Pt纳米粒子层6，其中，所述的P-AlN盖帽层5采用Mg、F共掺杂得到。
优选的，所述的非极性ZnO薄膜层的厚度为30-200nm。
优选的，所述的Ag纳米粒子层是厚度为8-12nm。
优选的，所述的非极性P-AlN薄膜层的厚度为300-800nm。
优选的，所述的P-AlN盖帽层的厚度为20-50nm。
优选的，所述的Pt纳米粒子的直径为2-30nm。
本发明还提供一种高光效P型非极性AlN薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
S1)、在M面蓝宝石衬底层1上使用PECVD生长30-200nm的非极性ZnO薄膜层2；
S2)、然后在非极性ZnO薄膜层2上外延一层厚度为8-12nm的Ag膜，然后在850℃快速退火1-2min，得到Ag纳米粒子层3；
S3)、将上述材料转移至MOCVD中，在900℃生产条件下，生长非极性P-AlN薄膜层4，所述的非极性P-AlN薄膜层4的厚度为300-800nm，然后采用Mg、F共掺杂非极性P-AlN薄膜层4，得到P-AlN盖帽层5，所述的P-AlN盖帽层5的厚度为20-50nm；
S4)、重掺杂生长结束后，溅射8-15nm的Pt膜，在800℃快速退火30-100s，得到直径为2-30nm的Pt纳米粒子层6，从而得到高光效P型非极性AlN薄膜。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种高光效P型非极性AlN薄膜，包括M面蓝宝石衬底层、非极性ZnO薄膜层、Ag纳米粒子层、非极性P-AlN薄膜层、P-AlN盖帽层、Pt纳米粒子层，所述的M面蓝宝石衬底层上生长有非极性ZnO薄膜层，所述的非极性ZnO薄膜层上端生长有Ag纳米粒子层，所述的Ag纳米粒子层上端生长有非极性P-AlN薄膜层，所述的非极性P-AlN薄膜层上端设置有P-AlN盖帽层，所述P-AlN盖帽层上端溅射有Pt纳米粒子层，其中，所述的P-AlN盖帽层采用Mg、F共掺杂得到。
2.根据权利要求1所述的一种高光效P型非极性AlN薄膜，其特征在于：所述的非极性ZnO薄膜层的厚度为30-200nm。
3.根据权利要求1所述的一种高光效P型非极性AlN薄膜，其特征在于：所述的Ag纳米粒子层的厚度为8-12nm。
4.根据权利要求1所述的一种高光效P型非极性AlN薄膜，其特征在于：所述非极性P-AlN薄膜层的厚度为300-800nm。
5.根据权利要求1所述的一种高光效P型非极性AlN薄膜，其特征在于：所述P-AlN盖帽层的厚度为20-50nm。
6.根据权利要求1所述的一种高光效P型非极性AlN薄膜，其特征在于：所述Pt纳米粒子层的Pt纳米粒子的直径为2-30nm。
7.根据权利要求1所述的一种高光效P型非极性AlN薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、通过使用PECVD在M面蓝宝石衬底层上生长非极性ZnO薄膜层，所述的非极性ZnO薄膜层的厚度为30-200nm；
S2)、然后在非极性ZnO薄膜层上外延一层Ag膜，然后在850℃快速退火1-2min，得到Ag纳米粒子层，所述的Ag纳米粒子层的厚度为8-12nm；
S3)、将上述材料转移至MOCVD中，并在Ag纳米粒子层上，在700-1100℃生产条件下，生长非极性P-AlN薄膜层，所述非极性P-AlN薄膜层的厚度为300-800nm，然后采用Mg、F共掺杂非极性P-AlN薄膜层，得到P-AlN盖帽层，所述P-AlN盖帽层的厚度为20-50nm；
S4)、重掺杂生长结束后，在P-AlN盖帽层上溅射8-15nm的Pt膜，在750-950℃下，快速退火30-100s，得到Pt纳米粒子层，所述的Pt纳米粒子的直径为2-30nm。
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