[发明专利]单晶AlN薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于薄膜制备技术领域，公开了单晶Al₂O₃/TiN/AlN薄膜的制备方法和应用；本发明通过控制AlN薄膜的生长温度、选择AlN薄膜生长的能流密度、TiN底电极的能流密度以及控制腔体内氮气压力，采用脉冲激光沉积的方法制备得到了单晶Al₂O₃/TiN/AlN薄膜，该方法制备过程简单，操作简便，容易实现，所制备得到的单晶Al₂O₃/TiN/AlN薄膜具有很好的外延性、结晶性，也具有优秀的致密性和平整度，当用于射频前端工作的介电电容器时，其介电性能优秀，且电容器具有不可调性，具有很大的开发应用价值。

技术领域

本发明涉及单晶薄膜制备技术领域，更具体地，涉及单晶AlN薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

介电材料是部分绝缘材料的一种特殊的电学性能，随着电子器件向小型化和高性能化方向的发展，电介质材料受到研究者极大关注。电介质储能技术具有异常快的能量转换速率，工作时间长以及环境友好等特点，已在现代电子电力工业如可穿戴电子设备、混合动力汽车、武器系统等领域得初露头角。随着电子器件向小型化和高性能化方向的发展，具有高储能密度的电介质材料需求迫切。

随着第五代移动通信的高速发展，端到端时延、连接端密度、峰值速率、用户下载速率和移动性等关键指标将比以前几代大幅提升。移动通信技术的丰富，再加上新兴物联网的应用，对5G 设备和模块也有了更进一步的要求，包括电池寿命长和可靠性高等。这就对射频前端器件的损耗特性、功率容量、工作频率和高度集成提出了更严苛的要求。

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料包括氮化铝、氮化镓、氮化铟及其合金等，由于具有禁带宽度大，电子饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点，因而在抗辐射、高频、和高功率电子器件，发光器件，以及光探测器方面有着独特的优势。其中具有室温下紫外短波发光和良好的表面声波谐振等有利条件，并且AlN材料无毒、化学性质稳定，这些优点使它成为制备光电子和微电子器件的优良材料，具有很大的开发和应用价值。

脉冲激光沉积是一种采用高能脉冲激光轰击陶瓷或者单晶靶材，然后将靶材材料出沉积在相应衬底上成膜的真空薄膜沉积技术。脉冲激光沉积技术作为一种重要的制膜技术之一，得到科研工作者的普遍重视，被应用在各种氧化物、氮化物、硫化物等薄膜以及多层膜的制备上。

目前异质外延生长AlN薄膜的制备方法发展越来越成熟，主要有反应磁控溅射法、化学气相沉积法、分子束外延、金属有机化合物气相沉积、氢化物气相外延等。磁控溅射法采用射频轰击靶材，生长速度快，但是生长的薄膜基本上是多晶。生长速度过快，则只适合进行厚膜材料的生长。金属有机化合物气相沉积是目前常用于生长氮化物薄膜的方法。它适用于大面积生长薄膜，而且生长速度快。但是在生长AlN材料和高Al组分的AlGaN时较为困难，因为在低压下生长薄膜时，三甲基铝源会与氨气发生强烈不可逆预反应，AlN原子难以并入晶格，导致生长速率下降，材料晶体质量降低。同时金属有机化合物气相沉积需要高的运行成本，使用有毒金属有机物源。分子束外延是采用坩埚加热真空蒸发，可以实现量子阱和超晶格结构生长的精确控制。它需在高真空环境下进行，生长过程中气压通常在以上，几乎不存在预反应。但是分子束外延是采用坩埚加热真空蒸发，一般会带来坩埚污染；同时Al炉易于破裂，需耗费能源维持Al炉温度在Al金属的熔点以上，否则容易报废，运行成本较高。而且以上两种方法极易发生界面反应。

同时，在以往的研究中，AlN薄膜只是作为生长GaN的牺牲层来研究，单独作为介电电容器来制备和研究太少。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的首要目的是提供一种单晶Al₂O₃/TiN/AlN薄膜的制备方法。

本发明的第二个目的是提供上述方法制备得到的单晶Al₂O₃/TiN/AlN薄膜。