CN110219050A - 一种氮化铝单晶薄膜的制备方法 - Google Patents

一种氮化铝单晶薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，公开了一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，该方法是以氮气为氮源，以铝颗粒作为铝源，在异质衬底上基于特制装置制备单晶薄膜氮化铝，整个制备过程分为三个阶段：首先控制源区和生长区同时加热至700‑900℃，保温，再控制源区温度升至1100～1400℃，生长区温度升至1000‑1200℃，保温，再控制生长区温度升至1250～1550℃，保温生长，冷却至室温后取出样品，所述的异质衬底为生长有氮化镓的蓝宝石。本发明的方法生长氮化铝单晶薄膜不仅结晶质量高，可获得自支撑薄膜，而且还具有成本低、生长速度快、无危险气体、绿色环保等优点。

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，具体涉及一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，尤其是一种可实现自支撑的氮化铝单晶薄膜的制备方法。
背景技术
氮化铝属于Ⅲ-Ⅴ氮化物，具有极高的禁带宽度(6.2ev)，具有高的热导率，优异的介电性能、声波传输特性，具有优良的压电性能以及较大的禁带宽度，可以作为新型高密度封装基板材料，大功率电路模块的基板材料。单晶AlN材料有着更少的缺陷，界面态密度更低，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薄膜材料的压电系数可达到多晶材料的5-8倍，生长缺陷少、质量高的单晶AlN薄膜已成为AlN器件应用的基本要求，尤其在紫外与深紫外发光器件领域，用AlN单晶材料当衬底的紫外与深紫外发光器件的发光效率比蓝宝石衬底高一倍甚至更高。
目前HVPE法生长AlN，通常采用源区和生长区两个温区，且腔室内往往需通入HCl、氨气(NH3)与氢气(H2)等危险气体，在源区由Al和HCl反应获得氯化铝，再在生长区氯化铝与氨气反应制得AlN；而且现有方法制备氮化铝薄膜往往是氮化铝薄膜直接生长在衬底上，这一方面会因为氮化铝与衬底间存在晶格失配从而在氮化铝晶体中引入应力，另一方面也必然会面临在后续应用中需要将氮化铝薄膜与衬底进行机械剥离从而引入机械损伤的问题；这些都会限制氮化铝单晶薄膜的大规模生产和推广应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，该方法通过一种自制的类氢化物气相外延(HVPE)设备实现，是一种工艺简单、成本较低、效率高且绿色环保的在异质衬底上外延生长单晶氮化铝薄膜的制备方法，且该方法可以实现氮化铝单晶薄膜的自支撑，避免薄膜与衬底机械剥离引入机械损伤。
本发明采用的技术方案如下：
一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，该方法是以氮气为氮源，以铝颗粒作为铝源，在异质衬底上基于如下特制装置制备单晶薄膜氮化铝，所述装置包括石英管和刚玉管，刚玉管同轴套设于石英管的内部，且位于石英管一端，制备时将铝颗粒置于刚玉管内作为源区，衬底置于石英管的另一端作为生长区，衬底距离刚玉管最近的管口5～10cm，将石英管抽真空至1Pa以下，从刚玉管端部通入氩气，从石英管端部通入氮气，首先控制源区和生长区同时加热至700-900℃，保温10～20分钟，再控制源区温度升至1100～1400℃，生长区温度升至1000-1200℃，调控氮气流量为3～4slm，氩气流量为20～60sccm，保温5～10分钟后，再控制生长区温度升至1250～1550℃，调节氮气流量为2～3slm，氩气流量为200～400sccm，保温1～3小时，冷却至室温后取出样品，所述的异质衬底为生长有氮化镓的蓝宝石。
上述技术方案中，进一步的，所述的特制装置为：在所述石英管上还设置有与石英管相连通的通气管，调控通气管与石英管相接处位于衬底与刚玉管管口之间，在生长时，不从石英管端部通入氮气，而是将氮气从通气管通入石英管内。这样设置可以使得衬底位置所在反应面的气体分布更为均匀，更有利于制备结晶质量高的氮化铝单晶薄膜。
进一步的，所述的氮化镓层的厚度为50～150nm左右。为了获得自支撑的氮化铝单晶薄膜，氮化镓层的厚度不宜过厚。
进一步的，所述的铝颗粒纯度不低于99.999％。
进一步的，所述的氮气和氩气的纯度均不低于5N。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用的反应源气体为氮气及铝蒸气来生长氮化铝，避免了氨气等危险气体的使用，提高了实验的安全性和可靠性；且本发明的方法在源区通过高温将金属Al气化，使气化后的Al在生长区直接与氮发生反应，可以制得结晶质量较高的氮化铝的单晶薄膜。
2.本发明采用具有氮化镓层的蓝宝石作为衬底，先进行低温氮化铝沉积再进行高温氮化铝生长，使得在低温时氮化铝获得形核点，再在高温时氮化铝不断沉积生长的过程中氮化镓不断的分解(氮化镓在1150℃以上就分解了)，从而使得生长的氮化铝单晶薄膜与蓝宝石衬底之间可以逐渐分离，不仅有利于释放生长应力，获得高质量的单晶，而且最终可实现获得自支撑氮化铝单晶薄膜直接应用或极大降低机械剥离的难度，本发明方法可有效避免常规制备方法中获得产物后仍需进行机械剥离将氮化铝薄膜与衬底分离所带来的机械损伤。
附图说明
图1是本发明的方法示意图；
图2是本发明中特制设备的一种结构示意图；
图3是本发明方法制备的单晶氮化铝薄膜的XRD示意图；
图4是本发明制得的单晶氮化铝薄膜的SEM截面图；
图5是本发明制得的单晶氮化铝薄膜的另一部位SEM截面图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明的方法做进一步的说明解释，这些实例仅是对本发明技术方案的解释说明，并非对本发明的限定。
实施例1
制备氮化铝单晶薄膜具体操作如下：
一、备料：
铝颗粒(纯度为99.999％)；刚玉舟；衬底为蓝宝石上生长的氮化镓(采用MOCVD法制备)；高纯氮气和氩气(纯度为5N)；自制的类氢化物气相外延设备。
所述的自制的氢化物气相外延设备包括石英管和刚玉管，刚玉管同轴套设于石英管的内部，且位于石英管一端，刚玉管内作为源区，石英管的另一端作为生长区，源区和生长区的温度可独立控制，石英管内可抽真空，且石英管、刚玉管端部可分别通入气体(如图1)，或者还可在石英管中部设置有与石英管相连通的通气管，氮气由该通气管通入(如图2)。
二、制备过程：
(1)称取适量的铝颗粒装入刚玉舟中，将其放入刚玉管内源区位置，将衬底放入石英管内生长区，调整衬底离刚玉管口距离为10cm；
(2)在氮化铝薄膜正式生长之前，先抽真空至1Pa以下，同时通入少量氮气和氩气，然后将源区和生长区同时加热至700℃，保温20分钟，用来除去水汽；
(3)紧接着将源区温度升温至1400℃，生长区温度升温至1200℃，调整氮气流量为3slm，氩气流量为45sccm，保温10分钟，生长低温氮化铝；
(4)调整生长区温度为1550℃，调整氮气流量为2slm，氩气流量为200sccm，保温1小时，生长高温AlN薄膜；
三、降温：
循环冷却水冷却至室温，取出样品，在衬底上获得透明薄膜，即为单晶氮化铝薄膜。
对获得的透明状薄膜进行检测，经XRD测试(如图3)，为(0002)单晶氮化铝薄膜，当蓝宝石上的氮化镓厚度较薄时，经高温沉积氮化铝的过程可使得氮化镓完全分解，则将直接在蓝宝石上获得自支撑的氮化铝单晶薄膜，本例制得的样品经SEM截面测试(如图4、5)可发现氮化铝单晶薄膜与蓝宝石表面之间的部分氮化镓已分解，已产生比较明显的分离。
实施例2
采用如图2所示的装置，具体制备过程如下，其余步骤与实施例1相同：
(1)称取适量的铝颗粒装入刚玉舟中，将其放入刚玉管内源区位置，将衬底放入石英管内生长区，调整衬底离刚玉管口距离为5cm；
(2)在氮化铝薄膜正式生长之前，先抽真空至1Pa以下，同时通入少量氮气和氩气，然后将源区和生长区同时加热至900℃，保温10分钟，用来除去水汽；
(3)紧接着将源区温度升温至1400℃，生长区温度升温至1200℃，调整氮气流量为4slm，氩气流量为60sccm，保温10分钟，生长低温氮化铝；
(4)调整生长区温度为1550℃，调整氮气流量为2slm，氩气流量为200sccm，保温1小时，生长高温AlN薄膜；
冷却后取出样品，在衬底上获得透明薄膜，即为单晶氮化铝薄膜。
采用该装置生长时，氮气直接通入衬底前部，与氩气混合，可以使得衬底位置所在反应面的气体分布更为均匀，这样更有利于制备结晶质量高的氮化铝单晶薄膜。在该过程中薄膜质量对气体的流量控制更为敏感，需控制在如下范围：氮气流量为2～3slm，氩气流量为200～400sccm，更优的，氮气流量为2slm，氩气流量为200sccm时，制得的单晶氮化铝薄膜结晶质量更好。

Claims (5)

1.一种氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，该方法是以氮气为氮源，以铝颗粒作为铝源，在异质衬底上基于如下特制装置制备单晶薄膜氮化铝，所述装置包括石英管和刚玉管，刚玉管同轴套设于石英管的内部，且位于石英管一端，制备时将铝颗粒置于刚玉管内作为源区，衬底置于石英管的另一端作为生长区，衬底距离刚玉管最近的管口5～10cm，将石英管抽真空至1Pa以下，从刚玉管端部通入氩气，从石英管端部通入氮气，首先控制源区和生长区同时加热至700-900℃，保温10～20分钟，再控制源区温度升至1100～1400℃，生长区温度升至1000-1200℃，调控氮气流量为3～4slm，氩气流量为20～60sccm，保温5～10分钟后，再控制生长区温度升至1250～1550℃，调节氮气流量为2～3slm，氩气流量为200～400sccm，保温1～3小时，冷却至室温后取出样品；所述的异质衬底为生长有氮化镓的蓝宝石。
2.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的特制装置为：在所述石英管上还设置有与石英管相连通的通气管，调控通气管与石英管相接处位于衬底与刚玉管管口之间，在生长时，不从石英管端部通入氮气，而是将氮气从通气管通入石英管内。
3.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的氮化镓层的厚度为50～150nm。
4.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的铝颗粒纯度不低于99.999％。
5.根据权利要求1所述的氮化铝单晶薄膜的制备方法，其特征在于，所述的氮气和氩气的纯度不低于5N。
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