[发明专利]一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法

说明书

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，公开了一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，该方法是以氮气为氮源，以铝颗粒作为铝源，在异质衬底上基于特制装置制得，整个制备过程分为五个阶段：首先控制源区和生长区同时加热至400～500℃，保温10～20分钟，接着控制源区温度升至1100～1400℃，生长区温度保持，保温10～20分钟，紧接着控制生长区温度升至1100～1200℃，源区温度不变，保温生长5～10分钟，紧接着源区温度1300～1400℃，生长区升温至1350～1550℃，保温1～3小时，各过程中调控氩气、氮气的通入比例，最后关闭氩气，冷却至室温后取出样品。本发明的方法生长氮化铝单晶薄膜不仅结晶质量高，表面较为平整且可获得自支撑薄膜，而且还具有成本低、生长速度快、无危险气体、绿色环保等优点。

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体涉及在一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法。

背景技术

氮化铝属于Ⅲ-Ⅴ氮化物，具有极高的禁带宽度(6.2eV)，具有高的热导率，优异的介电性能、声波传输特性，具有优良的压电性能以及较大的禁带宽度，可以作为新型高密度封装基板材料，大功率电路模块的基板材料。单晶AlN材料有着更少的缺陷，界面态密度更低，因此基于单晶AlN的器件性能远强于非晶或多晶AlN基器件，例如单晶AlN薄膜材料的压电系数可达到多晶材料的5-8倍，生长缺陷少、质量高的单晶AlN薄膜已成为AlN器件应用的基本要求，尤其在紫外与深紫外发光器件领域，用AlN单晶材料当衬底的紫外与深紫外发光器件的发光效率比蓝宝石衬底高一倍甚至更高。

采用现有方法制备氮化铝薄膜往往是直接在衬底上生长氮化铝薄膜，这一方面必然会面临在后续应用中需要将氮化铝薄膜与衬底进行机械剥离从而引入机械损伤的问题，另一方面会因为氮化铝与衬底间存在晶格失配从而在氮化铝晶体中引入应力，导致薄膜表面平整度较差，正如日本东京大学的Yoichi Kawakami小组所报道的一样，采用此方法生长薄膜导致薄膜表面不平整的问题并没有找到合适的解决方法，这些都会限制氮化铝单晶薄膜的大规模生产和推广应用。针对第一方面的问题，我们研究了一种氮化铝单晶薄膜的制备方法CN110219050A)，在该方法中，我们采用特制生长装置，以具有氮化镓层的蓝宝石作为衬底，先进行低温氮化铝沉积再进行高温氮化铝生长，使得在低温时氮化铝获得形核点，再在高温时氮化铝不断沉积生长的过程中氮化镓不断的分解，从而使得生长的氮化铝单晶薄膜与蓝宝石衬底之间可以逐渐分离，不仅有利于释放生长应力，获得高质量的单晶，而且最终可实现获得自支撑氮化铝单晶薄膜直接应用或极大降低机械剥离的难度；然而对于另一方面即薄膜表面平整度的问题，该方法依然不能令人满意。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，该方法通过一种自制的类氢化物气相外延(HVPE)设备实现，是一种工艺简单、成本较低、效率高且绿色环保的在异质衬底上外延生长单晶氮化铝薄膜的制备方法，且该方法可以实现薄膜表面的平整度的大幅提升以及氮化铝单晶薄膜的自支撑，避免薄膜与衬底机械剥离引入机械损伤。

本发明采用的技术方案如下：

一种可优化表面平整度的氮化铝单晶薄膜制备方法，该方法是采用特制生长装置，以蓝宝石为衬底，先对衬底进行预处理后，再进行低高温两段生长氮化铝；

所述的特制生长装置包括石英管和同轴套设于石英管内并位于石英管一端的刚玉管，衬底放置于石英管内另一端且距刚玉管管口5～10cm，石英管内可通气可抽真空，刚玉管端部可单独通入气体但另一端开放；制备时将铝颗粒置于刚玉管内作为源区，衬底为生长区；

所述的预处理如下：石英管内抽真空至1Pa以下，石英管内通少量氮气当保护气，在刚玉管内通入氩气，生长区和源区均加热至400～500℃，保温10～20分钟，再控制源区温度升至1100～1400℃，生长区温度保持，保温10～20分钟；