生長在Cu襯底的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生長在Cu襯底的AlN薄膜，其特征在于，包括Cu襯底、AlN緩沖層和AlN薄膜，所述AlN緩沖層生長在Cu襯底上，所述AlN薄膜生長在AlN緩沖層上；所述Cu襯底以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。本發(fā)明還公開了一種生長在Cu襯底的AlN薄膜及其制備方法。本發(fā)明采用脈沖激光沉積技術(shù)生長工藝生長AlN薄膜，由于脈沖激光照射能為薄膜前驅(qū)體提供了較高的動能，可以很大程度地降低AlN薄膜的生長溫度；另外由于低溫下，外延層與襯底之間的界面反應(yīng)受到抑制，為在金屬Cu襯底上外延生長AlN薄膜提供了重要的保證，從而獲得晶體質(zhì)量好的生長在Cu襯底的AlN薄膜。
【專利說明】生長在Cu襯底的AIN薄膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及AlN薄膜，特別是涉及一種生長在Cu襯底的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]AlN是一種III族化合物，一般以六方晶系中的纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在，有許多優(yōu)異的性能，如高的熱傳導(dǎo)性、低的熱膨脹系數(shù)、高的電絕緣性質(zhì)、高的介質(zhì)擊穿強度、優(yōu)異的機械強度、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和低毒害性、良好的光學(xué)性能等。由于AlN有諸多優(yōu)異性能，帶隙寬、極化強，禁帶寬度為6.2eV，使其在電子器件、集成電路封裝、光學(xué)膜及散熱裝置中都有廣泛的應(yīng)用。
[0003]AlN薄膜必須具有較高的結(jié)晶質(zhì)量，才能滿足以上多方面的應(yīng)用。目前AlN薄膜器件大都是生長在藍(lán)寶石襯底上。首先，AlN和藍(lán)寶石的存在較大的晶格失陪度，導(dǎo)致外延AlN薄膜過程中形成很高的位錯密度，從而降低了 AlN的性能；其次，AlN與藍(lán)寶石之間的熱失配度較大，當(dāng)外延層生長結(jié)束后，器件從外延生長的高溫冷卻至室溫過程會產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，容易導(dǎo)致薄膜和襯底的龜裂。最后，由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率低(100°C時為25W/m.K)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時排出，導(dǎo)致熱量積累，使器件的內(nèi)量子效率降低，最終影響器件的性能。
[0004]因此迫切尋找一種熱導(dǎo)率高可以快速地將器件內(nèi)的熱量傳遞出來的襯底材料。而金屬Cu作為外延AlN的襯底材料，具有三大其獨特的優(yōu)勢。第一，金屬Cu有很高的熱導(dǎo)率(398W/m.K)，可以將器件內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時的傳導(dǎo)出，以降低器件的溫度，提高器件的性能。第二，金屬Cu可以作為生長AlN基垂直結(jié)構(gòu)的器件的襯底材料，可直接在襯底上鍍陰極材料，在陽極上鍍陽極材料，使得電流幾乎全部垂直流過外延層，因而電阻下降，沒有電流擁擠，電流分布均勻，電流產(chǎn)生的熱量減小，對器件的散熱有利。第三，金屬Cu襯底材料相對其他襯底，價格更便宜，可以極大地降低器件的制造成本。正因為上述諸多優(yōu)勢，金屬Cu襯底現(xiàn)已被嘗試用作AlN外延生長的襯底材料。
[0005]但是金屬Cu襯底化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定，當(dāng)外延溫度高于700°C的時候，外延氮化物會與金屬Cu襯底之間發(fā)生界面反應(yīng)，嚴(yán)重影響了外延薄膜生長的質(zhì)量。III族氮化物外延生長的先驅(qū)研究者、著名科學(xué)家Akasaki等人就曾嘗試應(yīng)用傳統(tǒng)的MOCVD或者MBE技術(shù)直接在化學(xué)性質(zhì)多變的襯底材料上外延生長氮化物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄膜在高溫下外延相當(dāng)困難。由此看來，要在金屬Cu襯底進行AlN薄膜的生長，必須在較低的溫度下進行。但如何在Cu襯底實現(xiàn)高質(zhì)量AlN外延生長以獲得高質(zhì)量的生長在Cu襯底的AlN薄膜仍是一個技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種生長在Cu襯底的AlN薄膜及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明采用的脈沖激光沉積技術(shù)生長AlN薄膜，由于脈沖激光照射能為薄膜前驅(qū)體提供了較高的動能，可以很大程度地降低AlN薄膜的生長溫度；另外由于低溫下，外延層與襯底之間的界面反應(yīng)受到抑制，為在金屬Cu襯底上外延生長AlN薄膜提供了重要的保證，從而獲得晶體質(zhì)量好的生長在Cu襯底的AlN薄膜。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]生長在Cu襯底的AlN薄膜，包括Cu襯底、AlN緩沖層和AlN薄膜，所述AlN緩沖層生長在Cu襯底上，所述AlN薄膜生長在AlN緩沖層上；所述Cu襯底以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。
[0009]優(yōu)選的，所述AlN緩沖層的厚度為30-50nm，所述AlN薄膜的厚度為100_300nm。
[0010]生長在Cu襯底的AlN薄膜的制備方法，包括:
[0011]I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=AlN的(0001)面平行于Cu的(111)面；
[0012]2)襯底表面處理:對Cu襯底表面進行拋光、清洗以及退火處理；
[0013]3)在步驟2)處理后的Cu襯底上依次進行AlN緩沖層、AlN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的AlN薄膜。
[0014]優(yōu)選的，所述AlN緩沖層的外延生長工藝條件為:Cu襯底溫度為400-500°C，反應(yīng)室壓力為6.0-7.2 X I(T5Pa,生長速度為0.4-0.6ML/s。
[0015]優(yōu)選的，所述AlN薄膜的外延生長工藝條件為:采用脈沖激光沉積技術(shù)生長工藝，Cu襯底溫度為400-500°C，反應(yīng)室壓力為4.0-5.0X10_5Pa，生長速度為0.6-0.8ML/s。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟2)中拋光處理是將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光至沒有劃痕后，再采用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；所述清洗處理是將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3-5min后，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，最后用干燥氮氣吹干；所述退火處理是將Cu襯底放入反應(yīng)室內(nèi)，在500-600°C空氣中退火處理3-5h，然后冷卻至室溫，退火處理可使襯底獲得原子級平整的表面。
[0017]優(yōu)選的，所述AlN緩沖層的厚度為30-50nm，30-50nm厚的AlN厚的緩沖層可以提供模板，為接下來外延生長高質(zhì)量AlN薄膜奠定基礎(chǔ)；所述AlN薄膜的厚度為100-300nm。
[0018]生長在Cu襯底的AlN薄膜在制備LED、光電探測器中的應(yīng)用。
[0019]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于:
[0020]1、本發(fā)明采用的脈沖激光沉積技術(shù)生長AlN薄膜，由于脈沖激光照射能為薄膜前驅(qū)體提供了較高的動能，可以很大程度地降低AlN薄膜的生長溫度；另外由于低溫下，外延層與襯底之間的界面反應(yīng)受到抑制，為在金屬Cu襯底上外延生長AlN薄膜提供了重要的保證；
[0021]2、本發(fā)明制備得到的AlN薄膜，半峰寬數(shù)值小，位錯密度低；A1N緩沖層的加入，能夠為后期生長高質(zhì)量AlN薄膜鋪墊，制備得到的AlN基光電材料器件的載流子輻射復(fù)合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管及太陽能電池的發(fā)光效率；
[0022]3、本發(fā)明的生長工藝獨特而簡單易行，便于大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明中生長在Cu襯底的AlN薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實施例1制備的生長在Cu襯底的AlN薄膜(AlN (0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0025]圖3為本發(fā)明實施例1制備的生長在Cu襯底的AlN薄膜(A1N(10_12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0026]圖4為本發(fā)明實施例1制備的生長在Cu襯底的AlN薄膜的掃描電鏡(SEM)圖譜；
[0027]圖5為本發(fā)明實施例2制備的生長在Cu襯底的AlN薄膜(AlN (0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0028]圖6為本發(fā)明實施例2制備的生長在Cu襯底的AlN薄膜(A1N(10_12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；
[0029]圖7為本發(fā)明實施例2制備的生長在Cu襯底的AlN薄膜的掃描電鏡(SEM)圖譜；
[0030]其中，I為Cu襯底，2為AlN緩沖層，3為AlN薄膜。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0032]如圖1所示，為本發(fā)明中生長在Cu襯底的AlN薄膜，包括Cu襯底1、A1N緩沖層2和AlN薄膜3，所述AlN緩沖層2生長在Cu襯底I上，所述AlN薄膜3生長在AlN緩沖層2上；所述Cu襯底I以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。
[0033]優(yōu)選方案中，所述AlN緩沖層2的厚度為30_50nm，所述AlN薄膜3的厚度為100_300nmo
[0034]實施例1
[0035]生長在Cu襯底的AlN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0036](I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面偏(100)方向0.5°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=AlN的(0001)面平行于Cu的(111)面。
[0037](2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再米用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；其次,將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3min，去除Cu襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；最后，將Cu襯底放入反應(yīng)室內(nèi)，在500°C下空氣氛圍中對Cu襯底進行退火處理3h，然后空冷至室溫。
[0038](3) AlN緩沖層外延生長:Cu襯底溫度調(diào)為400°C，在反應(yīng)室的壓力為6.0X10_5Pa、生長速度為0.4ML/s的條件下生長厚度為30nm的AlN緩沖層。
[0039](4)AlN薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積技術(shù)生長工藝，將Cu襯底保持在550°C，在反應(yīng)室的壓力為7.0X10_5Pa、生長速度為0.6ML/s條件下，在步驟(3)得到的AlN緩沖層上生長厚度為IOOnm的AlN薄膜，即得所述生長在Cu襯底的AlN薄膜。
[0040]圖2-3是本實施例制備的AlN薄膜的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，AlN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FffHM)值低于2.0度，A1N(10_12)的半峰寬值為2.5度；表明在Cu(Ill)襯底上外延生長出了單晶的AlN薄膜。
[0041]圖4是本實施例制備的AlN薄膜的掃描電鏡(SEM)圖譜，可以看到AlN薄膜表面光滑且平整，表明外延生長得到的AlN已經(jīng)進入二維橫向生長。
[0042]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜用于制備LED:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜的GaN薄膜，Si摻雜的η型摻硅GaN、InxGahN多量子阱層、Mg摻雜的p型摻鎂的GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在金屬Cu襯底上制備得到的GaN基LED器件，其非摻雜的GaN薄膜約為2 μ m，η型GaN的厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X 1019cm_3 ；InxGai_xN/GaN多量子阱層的厚度約為105nm,周期數(shù)為7，其中InxGai_xN阱層為3nm，GaN壘層為12nm，p型摻鎂的GaN層厚度約為300nm，其載流子的濃度為3X 1017cm_3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為4.3mW，開啟電壓值為2.70V。
[0043]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜用于制備光電探測器:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、n型摻硅GaN、p型摻鎂的GaN,最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。其中η型摻娃GaN厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X IO19CnT3 ;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2.2 X IO1W3 ；P型摻鎂的GaN度約為1.5 μ m。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為65pA,并且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應(yīng)度的最大值達(dá)到了 0.92A/W。
[0044]檢測結(jié)果顯示，無論是結(jié)構(gòu)性質(zhì)還是在應(yīng)用上，均優(yōu)于目前已經(jīng)報道的應(yīng)用Cu襯底獲得的AlN薄膜的相關(guān)結(jié)果，具有良好的應(yīng)用前景。
[0045]實施例2
[0046]生長在Cu襯底的AlN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0047](I)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面偏(100)方向1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=AlN的(0001)面平行于Cu的(111)面。
[0048](2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理:首先，將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再米用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；其次,將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5min，去除Cu襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物，用高純干燥氮氣吹干；最后，將Cu襯底放入反應(yīng)室內(nèi)，在600°C下空氣氛圍中對Cu襯底進行退火處理5h，然后空冷至室溫。
[0049](3)A1N緩沖層外延生長:Cu襯底溫度調(diào)為500°C，在反應(yīng)室的壓力為7.2X10_5Pa、生長速度0.6ML/s的條件下生長厚度為50nm的AlN緩沖層。
[0050](4) AlN薄膜的外延生長:采用脈沖激光沉積技術(shù)生長工藝，將襯底保持在550°C，在反應(yīng)室的壓力為5.0X10_5Pa、生長速度為0.8ML/s條件下，在步驟(3)得到的AlN緩沖層上生長300nm AlN薄膜，即得所述生長在Cu襯底的AlN薄膜。
[0051]圖5-6是本實施例制備的AlN薄膜的HRXRD圖譜，從X射線回擺曲線中可以看到，AlN(0002)的X射線回擺曲線的半峰寬(FffHM)值低于2.0度，AlN(10-12)的半峰寬值為
2.5度；表明在Cu(Ill)襯底上外延生長出了單晶的AlN薄膜。
[0052]圖7是本實施例制備的AlN薄膜的掃描電鏡(SEM)圖譜，可以看到AlN薄膜表面光滑且平整，表明外延生長得到的AlN已經(jīng)進入二維橫向生長。
[0053]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜用于制備LED:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜的GaN薄膜，Si摻雜的η型摻硅GaN、InxGahN多量子阱層、Mg摻雜的p型摻鎂的GaN層，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸。在金屬Cu襯底上制備得到的GaN基LED器件，其非摻雜的GaN薄膜約為2 μ m，η型GaN的厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X 1019cm_3 ；InxGai_xN/GaN多量子阱層的厚度約為105nm,周期數(shù)為7，其中InxGai_xN阱層為3nm，GaN壘層為12nm，p型摻鎂的GaN層厚度約為300nm，其載流子的濃度為3X 1017cm_3。在20mA的工作電流下，LED器件的光輸出功率為
4.25mff,開啟電壓值為2.75V。
[0054]將本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜用于制備光電探測器:在本實施例制備的生長在金屬Cu襯底上的AlN薄膜上依次外延生長非摻雜GaN、n型摻硅GaN、p型摻鎂的GaN,最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。其中η型摻娃GaN厚度約為3 μ m,其載流子的濃度為I X IO19CnT3 ;非摻雜GaN厚度約為200nm，其載流子濃度為2.2 X IO1W3 ；P型摻鎂的GaN度約為1.5 μ m。本實施例所制備的光電探測器在IV偏壓下，暗電流僅為66pA,并且器件在IV偏壓下，在36Inm處響應(yīng)度的最大值達(dá)到了 0.91A/W。
[0055]檢測結(jié)果顯示，無論是結(jié)構(gòu)性質(zhì)還是在應(yīng)用上，均優(yōu)于目前已經(jīng)報道的應(yīng)用Cu襯底獲得的AlN薄膜的相關(guān)結(jié)果，具有良好的應(yīng)用前景。
[0056]對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.生長在Cu襯底的AlN薄膜，其特征在于，包括Cu襯底、AlN緩沖層和AlN薄膜，所述AlN緩沖層生長在Cu襯底上，所述AlN薄膜生長在AlN緩沖層上；所述Cu襯底以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面。
2.如權(quán)利要求1所述生長在Cu襯底的AlN薄膜，其特征在于，所述AlN緩沖層的厚度為30-50nm，所述AlN薄膜的厚度為100_300nm。
3.權(quán)利要求1所述生長在Cu襯底的AlN薄膜的制備方法，其特征在于，包括: 1)襯底以及其晶向的選取:采用Cu襯底，以(111)面偏(100)方向0.5-1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為=AlN的(0001)面平行于Cu的(111)面； 2)襯底表面處理:對Cu襯底表面進行拋光、清洗以及退火處理； 3)在步驟2)處理后的Cu襯底上依次進行AlN緩沖層、AlN薄膜的外延生長，即得所述生長在Cu襯底的AlN薄膜。
4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述AlN緩沖層的外延生長工藝條件為=Cu襯底溫度為400-500°C，反應(yīng)室壓力為6.0-7.2 X 10_5Pa，生長速度為0.4-0.6ML/s。
5.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述AlN薄膜的外延生長工藝條件為:采用脈沖激光沉積技術(shù)生長工藝，Cu襯底溫度為400-500°C，反應(yīng)室壓力為4.0-5.0 X I(T5Pa,生長速度為 0.6-0.8ML/s。
6.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中拋光處理是將Cu襯底表面用金剛石泥漿進行拋光至沒有劃痕后，再采用化學(xué)機械拋光的方法進行拋光處理；所述清洗處理是將Cu襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3-5min后，再依次經(jīng)過丙酮、乙醇洗滌，最后用干燥氮氣吹干；所述退火處理是將Cu襯底放入反應(yīng)室內(nèi)，在500-600°C空氣中退火處理3-5h,然后冷卻至室溫。
7.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述AlN緩沖層的厚度為30-50nm，所述AlN薄膜的厚度為100-300nm。
8.權(quán)利要求1-7任一項所述生長在Cu襯底的AlN薄膜在制備LED、光電探測器中的應(yīng)用。
【文檔編號】H01L31/0248GK103996615SQ201410240984
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】李國強 申請人:廣州市眾拓光電科技有限公司