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一种氮化铝膜的生长方法和应用
技术领域:电子信息        发布时间:2022.01.07        阅读次数:

①课题来源与背景
氮化铝(AlN)属于第三代宽禁带半导体材料,具有禁带宽度高,击穿电场高,热导率高,电子饱和速率高以及抗辐射能力高等优点。AlN晶体具有稳定的六方纤锌矿结构,晶格常数AlN在III-V族不半导体材料中具有最大的直接带隙,约6.2eV,是重要的蓝光和紫外发光材料。其热导率高,电阻率高,击穿场强大,介电系数小,是优异的高温高频和大功率器件用电子材料。并且,沿c轴取向的AlN具有非常好的压电特性和声表面波高速传播性,是优异的声表面波器件用压电材料。同时,AlN晶体与氮化镓晶体有非常接近的晶格常数和热膨胀系数,是外延生长AlGaN光电器件的优选衬底材料。基于AlN薄膜以上优异的特性,AlN薄膜材料被广泛用于紫外探测器,高电子迁移率晶体管(HEMT),紫外发光二极管(LED)。虽然AlN具有诸多的优点,但是AlN材料却非常难以制备。制备AlN需要高温设备以及精准的源流量控制系统。目前制备高质量AlN薄膜存在以下难点:(1)因Al原子的迁移速率非常慢,需要高温设备提升Al原子在衬底表面的迁移速率。一般地,高温设备的温度需要超过1200℃;(2)AlN和衬底之间的晶格失配较低,如此会导致AlN薄膜在生长过程中容易产生巨大的内应力,而应力释放最终会在AlN薄膜表面产生严重的裂纹;(3)为了减少或消除表面裂纹,降低厚度是一个方向,但是厚度降低将会使得AlN薄膜的晶体质量恶化,以致无法满足器件制备的需要;(4)AlN薄膜在生长过程中,随着厚度的增加还会出现线缺陷和位错等缺陷;(5)AlN薄膜的高晶体质量和AlN薄膜的完整无裂纹是两个相互矛盾的技术难题,目前为了获得高质量AlN薄膜,一定程度上需要牺牲表面特性,而为了获得优良的表面特性必将导致AlN薄膜的晶体质量下降。
②技术原理及性能指标
本项目提供一种氮化铝膜的生长方法和应用,该方法既能使得AlN薄膜生长过程中的应力得到很好地释放,消除AlN薄膜的表面裂纹,同时,可以增加AlN的生长厚度以及降低AlN薄膜生长过程中会出现的位错和线缺陷,显著提高AlN薄膜晶体质量,从而有利于提升AlN薄膜材料上制备器件的性能。通过引入纳米级柱体凹陷,使得AlN薄膜在生长过程中产生的巨大内应力得到释放,从而抑制了AlN薄膜表面裂纹的产生;使第二氮化铝层和第三氮化铝生长过程中出现的线缺陷和位错等缺陷在纳米级柱体凹陷区域得到极大地湮灭,从而可以获得低缺陷浓度,高晶体质量的AlN薄膜;通过蚀刻得到的纳米级柱体缺陷易形成光子晶体,对后续的AlN薄膜上的器件加工起到积极的正向作用;生成的AlN薄膜不仅无裂纹,且具有高的晶体质量,因此能够极大改善AlN薄膜上器件的性能。
③技术的创造性与先进性
本项目通过提供一种氮化铝膜的生长方法和应用,生长方法包括以下步骤:1)通入三甲基铝和氨气,在衬底上生成第一氮化铝层;2)对第一氮化铝层进行纳米级柱体蚀刻处理,得到柱体凹陷氮化铝层,所述柱体凹陷氮化铝层中具有多个纳米级柱体凹陷;3)控制反应室的温度和压力,通入三甲基铝和氨气,在柱体凹陷氮化铝层上生成第二氮化铝层;4)控制反应室的温度和压力,通入三甲基铝和氨气,在第二氮化铝层上生成第三氮化铝层;其中,步骤3)中氨气和三甲基铝的摩尔流量比小于步骤4)中氨气和三甲基铝的摩尔流量比;氮化铝膜为第一氮化铝层、第二氮化铝层和第三氮化铝层的集合。本发明能够显著提高AlN薄膜晶体质量。
④技术的成熟程度,适用范围和安全性
本项目技术成熟可靠,可适用于紫光LED外延片生长制造工艺工序中,技术指标及产业化经济指标均符合项目要求,提升AlN薄膜晶体质量,从而提高产品良率。
⑤应用情况及存在的问题
本项目已成熟应用于生产线产业化生产,已实现产品销售,客户应用状况良好,未反馈存在其他异常问题。