[发明专利]一种发光碳化硅薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅(SiC)薄膜，尤其是涉及一种用于光电子器件领域的含铝发光碳化硅薄膜的制备方法。

背景技术

SiC作为一种极具发展潜力和广泛应用前景的重要的第三代宽带隙半导体材料，由于其具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率和化学稳定性、小介电常数和较高电子迁移率，以及抗辐射能力强、结实耐磨损等特性而成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射极端条件下器件的理想材料。SiC薄膜被认为是一种很优异的高温结构材料和耐火材料，除用作耐磨镀层外，还可用作薄膜热敏电阻器、光电子学和高温半导体器件，以及聚变堆的第一壁材料。因高温、高频、大功率以及抗辐射等方面的应用潜力而得到雷达、航空、航天等领域和光电子、微电子行业的重视。

但是SiC薄膜迟迟不能在工业上大规模应用，其主要原因是一方面薄膜生长设备落后、工艺不成熟、SiC薄膜材料的制备困难等，薄膜质量始终达不到器件要求，目前还没有取得突破性进展。同时在器件制作上与现在已经成熟的硅器件制作工艺不兼容。利用SiC薄膜的宽禁带特征，即可产生波长短，频率高的光子，且其在低温下可以发射蓝光的性质，已有研究者成功制作了蓝光发光二极管(LED)。但是，此发光元件制作复杂，需借助基片，在SiC薄膜与衬底基片之间由于热膨胀系数与晶格不匹配，会造成SiC薄膜晶格缺陷密度高，势必会严重破坏元件的特性，使其发光效率降低，且使用寿命缩短。要获得高质量的外延SiC薄膜材料就需要尽量选择与SiC薄膜晶格匹配的衬底基片，如蓝宝石，或是n型SiC衬底，但此两种衬底材料昂贵。另一方面，由于SiC薄膜是间接带隙半导体材料，所制成的LED的发光效率非常低，碳化硅LED不能像氮化镓LED和磷化镓LED那样有效发光，要想实现光电集成，就必须具有能够高效发光和接收光信号的能力，因此需要研究能提高SiC薄膜发光效率的方法。

目前已有许多方法，包括离子注入法、化学气相沉积(CVD)、物理气相输运(PVT)、液相外延生长(LPE)、分子束外延法(MBE)、离子体化学气相沉积(PECVD)、磁控反应溅射(RMS)和激光脉冲沉积(PLD)等被用来制备SiC薄膜。CVD生长技术的优势在于容易获得均匀平整的表面以及对外延层中的掺杂浓度可以控制，用CVD法制备的SiC膜的晶体结构和硬度与基材的温度密切相关，为了得到高质量的单晶膜，基体反应温度应保持在1000～1500℃。但CVD法的最大缺陷是成本高、价格贵，所得薄膜匹配性差、厚度粗、难以编织。而且需要利用刻蚀技术去除基片，才能得到应用于光电子器件领域质量较好的SiC薄膜。

中国科学院半导体研究所陈诺夫等(中国专利CN 1594648A)发明了一种采用磁控溅射方法制备SiC薄膜的工艺，包括如下步骤：(1)选择硅(Si)单晶为衬底材料，选择SiC为靶材；(2)将Si单晶衬底材料送入磁控溅射仪；(3)加温，生长SiC薄膜；(4)退火；(5)完成制备SiC薄膜工艺。但该方法在控制生长温度、工作气体的成分、压力等参数方面具有很大困难，同样成本也较高，价格贵。

威凯科技股份有限公司赖穆人等(中国专利CN 1501518A)发明了一种以3C-SiC做为一基板，并且利用磷化硼为此基板与磊晶层之间的缓冲层，其主要包括有：一SiC基板，一磷化硼缓冲层覆盖于SiC基板的上表面，第一型氮化镓束缚层覆盖于磷化硼缓冲层表面，活性层覆盖于第一型氮化镓束缚层表面及第二型氮化镓束缚层覆盖于活性层表面。具有减少制程复杂度、减少晶格不匹配及避免产生缺陷的功效。但此方法同样借助基板，无法根除晶格不匹配的难题。