[发明专利]一种高质量AlN及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种AlN外延薄膜及其制备方法和应用。所述AlN外延薄膜的制备方法，包括：(1)在(0001)面蓝宝石表面溅射AlN层；(2)制作具有纳米级凹面孔洞周期排列图形的AlN；(3)完成侧向外延聚合过程；(4)继续外延生长至目标厚度，得到AlN外延薄膜。本发明通过图形化溅射AlN模板和高温侧向外延两个核心环节，获得表面原子级平整、位错密度很低的AlN外延薄膜，对实现AlGaN基深紫外高性能光电器件及产业应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种(0001)面蓝宝石衬底上高质量AlN外延薄膜及其制备方法和应用，属于III族氮化物半导体制备技术领域。

背景技术

高Al组分AlGaN及其低维量子结构光电功能材料是制备固态深紫外(DUV)发光二极管(LED)不可替代的材料体系，在杀菌消毒、水与空气净化等环保领域以及大容量信息传输和存储等信息领域具有广泛应用，是当前III-族氮化物半导体最有发展潜力的领域和产业之一。低位错密度AlN的实现是高性能AlGaN基DUV-LED的关键和基础。由于目前国际上商业的AlN衬底价格昂贵、尺寸小，而且很难获得，紫外波段透光性很好的(0001)面蓝宝石衬底上异质外延AlN模板是目前的主流技术路线。然而由于晶格失配和热失配，导致这种AlN模板中往往有很高的贯穿位错密度(10⁹-10¹⁰cm^-2)。这些贯穿位错一般会延伸到器件有源区内，严重影响器件的性能提升。因而突破在蓝宝石衬底上制备低位错密度AlN的有效方法具有极为重要的意义。

目前国际上常见的制备AlN外延薄膜的技术路线主要有以下几种：一是采用工艺参数调整的方法；二是采用脉冲源的方法；三是采用多层交替生长的方法；四是微、纳米图形衬底的方法等。这些方法虽然在一定程度上能提升AlN外延薄膜的晶体质量，但探索更低位错密度的AlN还需要进一步发掘开发新的工艺技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何在(0001)面蓝宝石衬底上降低AlN中位错密度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明通过首先在(0001)面蓝宝石衬底上溅射一定厚度的AlN，然后制备图形化AlN模板，再通过侧向外延过程实现原子级平整、位错密度极低的AlN外延薄膜。

本发明是采用如下方案实现的。

一种AlN外延薄膜的制备方法，包括：

(1)在(0001)面蓝宝石表面溅射AlN层；

(2)制作具有纳米级凹面孔洞周期排列图形的AlN；

(3)完成侧向外延聚合过程；

(4)继续外延生长至目标厚度，得到AlN外延薄膜。

步骤(1)中，所述溅射是以高纯度Al源和N₂等离子体分别提供Al源和N源，进行磁控溅射；所述磁控溅射温度为300-900℃，优选550-750℃。所述AlN层的厚度范围为150-500nm，优选250-350nm，进一步优选为300nm。

步骤(2)中，所述图形的阵列为二维长方形、正方形、菱形、六角密排等阵列，其中以凹面孔洞六角周期排列图形为佳；所述周期控制在0.5-2.5微米，优选1-1.6微米，进一步优选为1.3-1.4微米；所述台面宽度为300-500nm。

步骤(2)中，所述纳米级凹面孔洞周期排列图形可采用图形转移技术配合干法刻蚀制备得到；所述图形转移技术选自纳米压印；所述干法刻蚀法选用电感耦合等离子体(ICP)、反应离子刻蚀方法。

优选地，所述具有凹面孔洞周期排列图形的AlN由如下方法制得：