[发明专利]低成本宽禁带单晶薄膜的结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用氮化铝和碳化硅多层缓冲层在硅单晶上制备低成本宽禁带单晶薄膜及低成本宽禁带单晶薄膜的制备方法。 

背景技术

氮化物和碳化硅（SiC）等宽禁带单晶薄膜材料由于优良的理化性能在微电子和光电子等国民经济的各个重要领域得到广泛应用；因为缺乏高质量的单晶材料作为同质衬底，氮化物薄膜生长均采用大失配度的异质外延方式。相比之下，SiC单晶材料由于晶格失配小、热导率高等特点，适合于做氮化物和SiC等单晶薄膜的外延衬底；但是SiC单晶材料制备难度高、硬度高加工难度大、来源少，与成熟的硅工艺不兼容等多种不利因素导致价格昂贵，短期内无法在宽禁带晶薄膜生长领域大规模应用；单晶硅（Si）的尺寸大、晶体质量高、导热较好、硬度小、加工工艺成熟、易于实现集成、价格低廉等优点更为突出，作为衬底材料可以显著降低成本，因此，单晶Si衬底生长氮化物和SiC等宽禁带单晶薄膜是未来重要的产业化方法之一，尤其是在与主流硅工业结合后必将占领广阔的市场空间；虽然单晶Si衬底上生长氮化物或SiC宽禁带单晶薄膜有如此多的优势，但是有一个瓶颈始终阻碍着这项技术的快速发展；通常，宽禁带单晶薄膜在蓝宝石、SiC和Si衬底上生长时晶格常数和热膨胀系数都存在一定的失配，其中SiC衬底的晶格失配最小，但价格最高；单晶Si衬底最便宜，但晶格和热失配应力最大，例如，Si(111)与氮化镓（GaN）的晶格失配和热胀系数失配分别是17%和56%，为了释放应力，在氮化物薄膜中极易产生大量的位错和缺陷，尤其是降温过程中会出现高密度的裂纹，随着氮化物薄膜厚度的增加此现象更难消除；为此，研究者们也提出了很多改善Si基宽禁带单晶薄膜晶体质量的方法，如在宽禁带薄膜中生长插入层和Si衬底表面图形化，工艺比较复杂，容易引入二次污染；生长宽禁带薄膜是需要经过大量实验研究才能掌握其规律性，达到稳定的工艺；三是综合利用单晶Si和SiC材料的优点，在单晶Si衬底上经过碳化后制备SiC缓冲层，然后发挥SiC与氮化物间晶格失配小的优点，以其为模板生长氮化物薄膜。上述方案都在不同程度上缓解了宽禁带外延单晶薄膜的应力，但薄膜制备工艺和晶体质量、表面形貌等方面还存在着不足；一般地，单晶Si上生长的3C-SiC属于立方相，在此基础上生长的宽禁带单晶薄膜也是立方相结构；氮化物或SiC等宽禁带单晶薄膜的立方相与六方相是常见的两种晶体结构，二者性质差异较大，通常六方相结构的晶体质量、表面形貌和稳定性等都比立方相的好；目前研究最多和已经实用化的氮化物或SiC等宽禁带单晶薄膜都以六方相为主。利用SiC缓冲层获得的宽禁带外延薄膜距离真正的实际应用还有较大距离。

发明内容

本发明提出了一种低成本宽禁带单晶薄膜的结构及制备方法，其目的是针对单晶Si衬底上立方相SiC缓冲层技术存在的问题，在单晶Si衬底上采用氮化铝（AlN）和SiC的多缓冲层结构，制备高质量六方相宽禁带单晶薄膜的方法；可避免单晶Si衬底上直接制备六方相SiC缓冲层的缺点，有助于提高宽禁带单晶薄膜的晶体质量和改进表面形貌。本发明具有结构简单，工艺难度小，容易实现等优点。

本发明的技术解决方案：其特征是单晶硅衬底上是氮化铝（AlN）缓冲层；在氮化铝（AlN）缓冲层上是碳化硅（SiC）缓冲层；在碳化硅（SiC）缓冲层上是宽禁带单晶薄膜；

其制备方法，包括如下工艺步骤：

一、在单晶硅衬底上制备氮化铝（AlN）缓冲层；

二、降至室温，取出；

三、氮化铝（AlN）缓冲层2上制备碳化硅（SiC）单晶薄膜，其结构为六方相；

四、降至室温，取出；

五、在碳化硅（SiC）单晶薄膜上制备氮化物或碳化硅等宽禁带单晶薄膜，其结构为六方相；如果制备氮化物单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上首先制备氮化铝成核层，再在氮化铝成核层上制备氮化物单晶薄膜；如果制备SiC单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上直接制备碳化硅（SiC）单晶薄膜；

六、降至室温，取出。

低成本宽禁带单晶薄膜，其结构是单晶硅衬底上是氮化铝（AlN）缓冲层；在氮化铝（AlN）缓冲层上是碳化硅（SiC）缓冲层；在碳化硅（SiC）缓冲层上是宽禁带单晶薄膜。

其制备方法，包括如下工艺步骤：

一、在单晶硅衬底上制备氮化铝（AlN）缓冲层；

二、降至室温，取出；

三、氮化铝（AlN）缓冲层上制备碳化硅（SiC）单晶薄膜，其结构为六方相；

四、降至室温，取出；