CN111005072B - 一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，公开了一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，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得，整个制备过程分为五个阶段：首先控制源区和生长区同时加热至400～500℃，保温10～20分钟，接着控制源区温度升至1100～1400℃，生长区温度保持，保温10～20分钟，紧接着控制生长区温度升至1100～1200℃，源区温度不变，保温生长5～10分钟，紧接着源区温度1300～1400℃，生长区升温至1350～1550℃，保温1～3小时，各过程中调控氩气、氮气的通入比例，最后关闭氩气，冷却至室温后取出样品。本发明的方法生长氮化铝单晶薄膜不仅结晶质量高，表面较为平整且可获得自支撑薄膜，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

一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法
技术领域
本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体涉及在一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法。
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。
采用现有方法制备氮化铝薄膜往往是直接在衬底上生长氮化铝薄膜，这一方面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，另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，导致薄膜表面平整度较差，正如日本东京大学的Yoichi Kawakami小组所报道的一样，采用此方法生长薄膜导致薄膜表面不平整的问题并没有找到合适的解决方法，这些都会限制氮化铝单晶薄膜的大规模生产和推广应用。针对第一方面的问题，我们研究了一种氮化铝单晶薄膜的制备方法CN110219050A)，在该方法中，我们采用特制生长装置，以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，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；然而对于另一方面即薄膜表面平整度的问题，该方法依然不能令人满意。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，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，且该方法可以实现薄膜表面的平整度的大幅提升以及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：
一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，该方法是采用特制生长装置，以蓝宝石为衬底，先对衬底进行预处理后，再进行低高温两段生长氮化铝；
所述的特制生长装置包括石英管和同轴套设于石英管内并位于石英管一端的刚玉管，衬底放置于石英管内另一端且距刚玉管管口5～10cm，石英管内可通气可抽真空，刚玉管端部可单独通入气体但另一端开放；制备时将铝颗粒置于刚玉管内作为源区，衬底为生长区；
所述的预处理如下：石英管内抽真空至1Pa以下，石英管内通少量氮气当保护气，在刚玉管内通入氩气，生长区和源区均加热至400～500℃，保温10～20分钟，再控制源区温度升至1100～1400℃，生长区温度保持，保温10～20分钟；
所述的低高温两段生长氮化铝如下：在刚玉管内通入氩气，在石英管内通入氮气，控制源区温度保持，生长区温度升至1100～1200℃，保温生长5～10分钟，紧接着控制源区温度升至1300～1400℃，生长区升温至1350～1550℃，保温1～3小时持续生长，在衬底上获得氮化铝单晶薄膜。
上述技术方案中，进一步的，所述的特制生长装置中，在石英管上还设置有与石英管相连通的通气管，通气管与石英管相接处位于衬底与刚玉管管口之间，在低高温两段生长阶段，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。
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不低于5N。
进一步的，预处理过程中，当源区温度升至1100～1400℃，生长区温度保温时，调控氮气流量为1slm，氩气流量为250sccm。
进一步的，低高温两段生长过程中，当控制源区保温，生长区温度升至1100～1200℃时，调控氮气流量为3～4slm，氩气流量为20～60sccm，保温5～10分钟后，控制源区温度升至1300～1400℃，生长区温度升至1350～1550℃时，调节氮气流量为2～3slm，氩气流量为200～400sccm，保温1～3小时。
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.本发明采用蓝宝石作为衬底，先进行预处理镀铝膜工艺，然后进行低温氮化铝沉积再进行高温氮化铝生长，低温时生长的铝膜使得蓝宝石表面凹凸不平后，随着温度的升高，铝膜消失，随后在低温时氮化铝更容易获得形核点，再在高温生长时氮化铝岛状结构不断合拢的过程会更加容易，使得位错密度也有显著的降低，另铝膜的存在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是本发明方法的一种示意图；
图2是本发明中特制生长装置的另一种结构示意图；
图3是未采用衬底预处理工艺制备的单晶氮化铝薄膜的XRD摇摆曲线示意图；
图4是本发明中采用衬底预处理工艺后的单晶氮化铝薄膜的XRD摇摆曲线示意图；
图5是未采用衬底预处理工艺制备本发明制得的单晶氮化铝薄膜的SEM表面图；
图6是本发明中采用衬底预处理工艺后的单晶氮化铝薄膜的SEM表面图；
图7是本发明中采用衬底预处理工艺后的单晶氮化铝薄膜的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。
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；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)或者可在石英管中部设置有与石英管相连通的通气管，石英管内气氛由该通气管通入(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400～500℃，保温20分钟，用来除去水汽；
(3)将源区温度升至1200～1400℃，生长区保持在400～500℃，调整氮气流量2slm，氩气流量100sccm，保温10分钟，用来生长铝膜；
(4)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；
(5)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3小时，生长高温AlN薄膜；
(6)关闭氩气，持续通入氮气，准备降温。
三、降温：
循环冷却水冷却至室温，取出样品，在蓝宝石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摇摆曲线测试(如图3)，氮化铝薄膜的结晶质量较好，(002)面和(102)面位错密度均较低，本例制得的样品经SEM测试(如图6)可发现氮化铝单晶薄膜表面较为平整，从其截面可看出：生长的AlN单晶薄膜与蓝宝石之间的界面部分已形成较为明显的空洞结构，产生了些许的分离，这样有助于AlN单晶薄膜的自剥离技术的实现。

Claims (6)

1.一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，其特征在于，该方法是采用特制生长装置，以蓝宝石为衬底，先对衬底进行预处理后，再进行低高温两段生长氮化铝；
所述的特制生长装置包括石英管和同轴套设于石英管内并位于石英管一端的刚玉管，衬底放置于石英管内另一端且距刚玉管管口5~10cm，石英管内可通气可抽真空，刚玉管端部可单独通入气体但另一端开放；制备时将铝颗粒置于刚玉管内作为源区，衬底为生长区；
所述的预处理如下：石英管内抽真空至1Pa以下，石英管内通氮气作为保护气，在刚玉管内通入氩气，生长区和源区均加热至400~500℃，保温10~20分钟，再控制源区温度升至1100~1400℃，生长区温度保持，保温10~20分钟；
所述的低高温两段生长氮化铝如下：在刚玉管内通入氩气，在石英管内通入氮气，控制源区温度保持，生长区温度升至1100~1200℃，保温生长5~10分钟，紧接着控制源区温度升至1300~1400℃，生长区升温至1350~1550℃，保温1~3小时持续生长，生长完成后关闭氩气，持续通入氮气，冷却至室温，取出样品，在衬底上获得氮化铝单晶薄膜。
2.根据权利要求1所述的可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，其特征在于，所述的特制生长装置中，在石英管上还设置有与石英管相连通的通气管，通气管与石英管相接处位于衬底与刚玉管管口之间，在低高温两段生长阶段，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所述的可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，其特征在于，所述的铝颗粒纯度不低于99.999%。
4.根据权利要求1所述的可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，其特征在于，所述的氮气和氩气的纯度不低于5N。
5.根据权利要求1所述的可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，其特征在于，预处理过程中，当源区温度升至1100~1400℃，生长区温度保持400-500℃时，调控氮气流量为1slm，氩气流量为250sccm。
6.根据权利要求1所述的可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，其特征在于，低高温两段生长过程中，当控制源区保温，生长区温度升至1100~1200℃时，调控氮气流量为3~4slm，氩气流量为20~60sccm，保温5~10分钟后，控制源区温度升至1300~1400℃，生长区温度升至1350~1550℃时，调节氮气流量为2~3slm，氩气流量为200~400sccm，保温1~3小时。
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