基于c面Al2O3圖形襯底的AlN薄膜及其制備方法與流程

本發明屬于微電子技術領域，特別涉及一種AlN薄膜的制備方法，可用于制作極性c面AlN基的紫外和深紫外半導體器件。

技術背景

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體材料，如AlN基、GaN基、InN基等半導體材料，它們的禁帶寬度往往差異較大，比如AlN為6.2eV、GaN為3.42eV、InN為0.7eV，因此人們通常利用這些Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料形成各種異質結結構。特別是InGaN材料體系在藍光LED上取得了巨大的成功，2014年赤崎勇、天野昊和中村修二因為在藍光LED方面的巨大貢獻而獲得了諾貝爾物理學獎。此外，AlGaN體系的材料由于禁帶寬度很大，發光波長很小，如果調節Ga和Al的比例，可以使發光波長覆蓋到紫外和深紫外，由于這種特點，目前AlN相關的材料及器件是目前的研究熱點。AlN目前主要是在藍寶石襯底上異質外延得到的。但是在常規藍寶石襯底上制備的AlN材料的結晶質量很差。

為了減少缺陷，在c面Al₂O₃生長高質量的極性c面AlN外延層，對此，許多研究者采用了不同的方法對Al₂O₃襯底進行處理，其效果也比較明顯。參見Correlation of sapphire off-cut and reduction of defect density in MOVPE grown AlN，Phys.Status Solidi B,253,No.5,809–813(2016)和High-quality AlN epitaxy on nanopatterned sapphire substrates prepared by nano-imprint lithography，Scientific Reports,6,35934(2016)。但是，由于這些Al₂O₃圖形襯底的制作需都要經過光刻流程，因此工藝較為復雜，制作周期很長且費用昂貴。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種無需進行光刻的基于c面Al₂O₃圖形襯底的AlN薄膜及其制備方法，以減小應力，簡化工藝，縮短制作周期和減小費用成本。

為實現上述目的，本發明基于c面Al₂O₃圖形襯底的AlN薄膜，自下而上包括如下：c面Al₂O₃襯底層、AlN成核層、AlGaN層和c面AlN層，其特征在于：

c面Al2O3襯底層的表面設有通過金剛石砂紙打磨形成的襯底條紋，以提高AlN材料的質量，

AlGaN層采用Al組分從0.01漸變至1的Al組分漸變AlGaN層，用以降低AlN材料的應力。

進一步，所述的AlN成核層厚度為10-90nm。

進一步，所述的漸變AlGaN層厚度為2000-5000nm。

進一步，所述的c面AlN層厚度為1000-3000nm。

為實現上述目的，本發明基于c面Al₂O₃圖形襯底的AlN薄膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)襯底打磨

將c面Al₂O₃襯底水平放置，將金剛石砂紙放置在襯底表面，在金剛石砂紙上施加3-9牛頓的力對c面Al₂O₃襯底進行平行打磨，打磨出平行于Al₂O₃襯底基準邊的條紋圖案或垂直于Al₂O₃襯底基準邊的條紋圖案；

(2)襯底清洗

將打磨后的c面Al₂O₃襯底先放入HF酸或HCl酸中超聲波清洗5-10min，然后放入丙酮溶液中超聲波清洗5-10min，再使用無水乙醇溶液超聲清洗5-10min，再用去離子水超聲清洗5-10min，最后用氮氣吹干；

(3)熱處理

將清洗后的c面Al₂O₃襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10²Torr；再向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體，在MOCVD反應室壓力達到為20-760Torr條件下，將襯底加熱到溫度為900-1200℃，并保持5-10min，完成對襯底基片的熱處理；

(4)外延AlN層

(4a)在熱處理后的c面Al₂O₃襯底上生長采用金屬有機物化學氣相淀積MOCVD工藝生長厚度為10-90nm的AlN成核層；

(4b)在AlN成核層之上采用MOCVD工藝生長厚度為2000-5000nm的Al組分漸變AlGaN層，生長溫度為950-1100℃；

(4c)在Al組分漸變的AlGaN層之上，采用MOCVD工藝生長厚度為1000-3000nm的AlN層。

本發明具有如下優點：

1.本發明由于采用金剛石砂紙在c面Al₂O₃襯底上打磨出平行基準邊方向或垂直基準邊方向的條紋圖案來制備圖形襯底，使得在提高材料質量的同時簡化了工藝流程，縮短了制作周期并且節約了成本。

2.本發明由于采用了Al組分不斷提高的漸變AlGaN層，大大降低了材料應力。

本發明的技術方案可通過以下附圖和實施例進一步說明。

附圖說明

圖1是本發明極性c面AlN薄膜的剖面示意圖；

圖2是圖1中由金剛石砂紙打磨出的c面Al₂O₃圖形襯底的剖面圖。

圖3是本發明制作極性c面AlN薄膜的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述：

參照圖1，本發明的極性c面AlN薄膜，包括：c面Al₂O₃襯底層、AlN成核層、漸變AlGaN層和c面AlN層。

所述c面Al₂O₃襯底層，其表面設有通過金剛石砂紙打磨形成的襯底條紋，如圖2所示，該襯底條紋為平行于Al₂O₃襯底基準邊的圖案或垂直于Al₂O₃襯底基準邊的圖案，用于以提高AlN材料的質量；

所述AlN成核層，位于在c面Al₂O₃襯底層之上，其厚度為10-90nm；

所述漸變AlGaN層：位于AlN成核層之上，其采用Al組分從0.01漸變至1，用以降低材料的應力，該漸變AlGaN層厚度為2000-5000nm；

所述c面AlN層，位于漸變AlGaN層之上，其厚度為1000-3000nm。

參照圖3，本發明給出制備極性c面AlN薄膜的三種實施例。

實施例1，制備AlN成核層厚度為50nm，漸變AlGaN層厚度為2500nm和c面AlN層厚度為1500nm的基于c面Al₂O₃圖形襯底的AlN薄膜。

步驟1，對c面Al₂O₃襯底進行磨制。

將c面Al₂O₃襯底水平放置，將顆粒直徑為6um的金剛石砂紙放置在襯底表面，在金剛石砂紙上施加6N的力，使砂紙平行于Al₂O₃襯底的基準邊打磨襯底，在Al₂O₃襯底上磨出條紋圖案，如圖2所示。

步驟2，對磨制好的Al₂O₃襯底進行清洗。

將磨制好的Al₂O₃襯底先放入HF酸中超聲波清洗7min，然后在放入丙酮溶液中超聲波清洗7min，接下來使用無水乙醇溶液同樣超聲清洗7min，最后再用去離子水超聲清洗7min，再用氮氣吹干。

步驟3，對襯底基片進行熱處理。

將c面Al₂O₃襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，先將反應室的真空度降低到小于2×10^-2Torr，然后向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體，使反應室壓力為40Torr，將襯底加熱到1100℃，對襯底基片進行熱處理，時間為8min。

步驟4，生長50nm厚的AlN成核層。

將熱處理后的襯底基片溫度降低為960℃，向反應室同時通入流量為20μmol/min的鋁源、流量為1200sccm氫氣和流量為4000sccm的氨氣，在保持壓力為40Torr的條件下生長厚度為50nm的AlN成核層。

步驟5，在AlN成核層上生長2500nm厚的漸變AlGaN層。

將已經生長了AlN成核層的基片溫度升高為1000℃，同時調節鋁源和鎵源的流量使Al組分從0.01逐漸提高到1，在AlN成核層上生長出厚度為2500nm的漸變AlGaN層。

步驟6，生長1500nm厚的極性c面AlN層。

將已經生長了漸變AlGaN層的基片溫度保持在1000℃，向反應室同時通入流量為30μmol/min的鋁源、流量為1200sccm氫氣和流量為4000sccm的氨氣，在保持壓力為40Torr的條件下生長厚度為1500nm的AlN層。

步驟7，將通過上述過程生長的極性c面AlN材料從MOCVD反應室中取出，完成c面AlN薄膜的制備。

實施例2，制備AlN成核層厚度為30nm，漸變AlGaN層厚度為2000nm和c面AlN層厚度為1000nm的基于c面Al₂O₃圖形襯底的AlN薄膜。

步驟一，對c面Al₂O₃襯底進行磨制。

將c面Al₂O₃襯底水平放置，將顆粒直徑為1um的金石剛砂紙放置在襯底表面，在金剛石砂紙上施加3N的力使砂紙垂直于Al₂O₃襯底的基準邊打磨襯底，在Al₂O₃襯底上磨出條紋圖案，如圖2所示。

步驟二，對磨制好的Al₂O₃襯底進行清洗。

將磨制好的Al₂O₃襯底先放入HF酸中超聲波清洗5min，然后放入丙酮溶液中超聲波清洗5min，接下來使用無水乙醇溶液同樣超聲清洗5min，最后再用去離子水超聲清洗5min，再用氮氣吹干。

步驟三，對襯底基片進行熱處理。

將c面Al₂O₃襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，先將反應室的真空度降低到小于2×10^-2Torr，然后向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體，使反應室的壓力為20Torr，將襯底加熱到1000℃，對襯底基片進行5min的熱處理。

步驟四，生長30nm厚的AlN成核層。

將熱處理后的襯底基片溫度降低為900℃，同時向反應室通入流量為10μmol/min的鋁源、流量為1200sccm氫氣和流量為3000sccm的氨氣，在保持壓力為20Torr的條件下，生長厚度為30nm的AlN成核層。

步驟五，在AlN成核層上生長2000nm厚的漸變AlGaN層。

將已經生長了AlN成核層的基片溫度升高為950℃，同時調節鋁源和鎵源的流量，生長Al組分從0.01逐漸提高到1，且厚度為2000nm的漸變AlGaN層。

步驟六，生長1000nm厚的極性c面AlN層。

將已經生長了漸變AlGaN層的基片溫度保持在950℃，向反應室同時通入流量為15μmol/min的鋁源、流量為1200sccm氫氣和流量為4000sccm的氨氣，在保持壓力為20Torr的條件下，生長厚度為1000nm的AlN層。

步驟七，將通過上述過程生長的極性c面AlN材料從MOCVD反應室中取出，完成c面AlN薄膜的制備。

實施例3，制備AlN成核層厚度為90nm，漸變AlGaN層厚度為5000nm和c面AlN層厚度為3000nm的基于c面Al₂O₃圖形襯底的AlN薄膜。

步驟A，將c面Al₂O₃襯底水平放置，將顆粒直徑為9um的金剛石砂紙放置在襯底表面，在金剛石砂紙上施加9N的力使砂紙平行于Al₂O₃襯底的基準邊打磨襯底，在Al₂O₃襯底上磨出條紋圖案，如圖2所示。

步驟B，將磨制好的Al₂O₃襯底先放入HF酸中超聲波清洗10min，然后在放入丙酮溶液中超聲波清洗10min，接下來使用無水乙醇溶液同樣超聲清洗10min，最后再用去離子水超聲清洗10min，再用氮氣吹干。

步驟C，將c面Al₂O₃襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，先將反應室的真空度降低到小于2×10^-2Torr，然后向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體，使反應室壓力為760Torr，將襯底加熱到1200℃，對襯底基片進行10min的熱處理。

步驟D，將熱處理后的襯底基片溫度降低為1000℃，向反應室同時通入流量為50μmol/min的鋁源、流量為1200sccm氫氣和流量為4000sccm的氨氣，在保持壓力為760Torr的條件下，生長厚度為90nm的AlN成核層。

步驟E，將已經生長了AlN成核層的基片溫度升高到1100℃，調節鋁源和鎵源的流量，生長Al組分從0.01逐漸提高到1，且厚度為5000nm的漸變AlGaN層。

步驟F，將已經生長了漸變AlGaN層的基片溫度保持在1100℃，向反應室同時通入流量為100μmol/min的鋁源、流量為1200sccm氫氣和流量為5000sccm的氨氣，在保持壓力為760Torr的條件下，生長厚度為3000nm的c面AlN層。

步驟G，將通過上述過程生長的極性c面AlN材料從MOCVD反應室中取出，完成c面AlN薄膜的制備。

以上描述僅是本發明的三個具體實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對于本領域的專業人員來說，在了解本發明內容和原理后，都可能在不背離本發明的原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基于本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。