本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種AlN薄膜的制備方法，可用于制作非極性a面AlN基的紫外和深紫外半導(dǎo)體器件。

技術(shù)背景

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導(dǎo)體材料，如AlN基、GaN基、InN基等半導(dǎo)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(dǎo)體材料形成各種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。特別是InGaN材料體系在藍(lán)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?yàn)樵谒{(lán)光LED方面的巨大貢獻(xiàn)而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此外，AlGaN體系的材料由于禁帶寬度很大，發(fā)光波長(zhǎng)很小，如果調(diào)節(jié)Ga和Al的比例，可以使發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋到紫外和深紫外，由于這種特點(diǎn)，因此AlN相關(guān)的材料及器件是目前的研究熱點(diǎn)。但是常規(guī)AlN材料主要是在極性c面Al₂O₃生長(zhǎng)的，主要是利用其AlGaN/AlN異質(zhì)結(jié)界面處的高密度和高電子遷移率的二維電子氣來(lái)實(shí)現(xiàn)高電子遷移率晶體管。這種二維電子氣是由于異質(zhì)結(jié)中較大的導(dǎo)帶不連續(xù)性以及較強(qiáng)的極化效應(yīng)產(chǎn)生的，這種極化效應(yīng)在光電器件當(dāng)中是有較大危害的，由于極化引起的內(nèi)建電場(chǎng)的存在使能帶彎曲、傾斜，并使能級(jí)位置發(fā)生變化，強(qiáng)大的極化電場(chǎng)還會(huì)使正負(fù)載流子在空間上分離，電子與空穴波函數(shù)的交迭變小，使材料的發(fā)光效率大大的降低。然而在非極性a面AlN材料中則不存在這種極化效應(yīng)，因此在非極性a面制作LED有較為廣闊的前景。目前AlN主要是在藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延得到的，但是，由于非極性a面AlN和襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，生長(zhǎng)的材料較差。所以，生長(zhǎng)高質(zhì)量非極性a面AlN薄膜是制作上述光電器件的關(guān)鍵。

為了減少缺陷，在Al₂O₃生長(zhǎng)高質(zhì)量的AlN外延層，對(duì)此，許多研究者采用了不同的方法對(duì)Al₂O₃襯底進(jìn)行處理，其效果也比較明顯。參見(jiàn)AlN growth on nano-patterned sapphire:a route for cost efficient pseudo substrate for deep UV LEDs,Physical Status Solidi A,213,12(2016)和Correlation of sapphire off-cut and reduction of defect density in MOVPE grown AlN，Phys.Status Solidi B,253,5,809–813(2016)。但是，由于這些Al₂O₃圖形襯底的制作需都要經(jīng)過(guò)光刻流程，因此工藝較為復(fù)雜，制作周期很長(zhǎng)且費(fèi)用昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)需進(jìn)行光刻流程的基于r面Al₂O₃圖形襯底的非極性a面AlN薄膜及其制備方法，以簡(jiǎn)化工藝，減小應(yīng)力，縮短制作周期和減小費(fèi)用成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于r面Al₂O₃圖形襯底的非極性a面AlN薄膜，自下而上包括如下：r面Al₂O₃襯底層、AlN成核層、Al組分漸變AlGaN層和非極性a面a面AlN層，其特征在于：

r面Al₂O₃襯底層的表面有通過(guò)金剛石砂紙打磨形成的襯底條紋，用以提高非極性a面AlN材料的質(zhì)量，

Al組分漸變AlGaN層的Al組分從0.01漸變至1，用以降低非極性a面AlN材料的應(yīng)力。

作為優(yōu)選，所述的r面AlN成核層厚度為10-110nm。

作為優(yōu)選，所述的Al組分漸變AlGaN層厚度為1500-5500nm。

作為優(yōu)選，所述的非極性a面AlN層厚度為700-2000nm。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于r面Al₂O₃圖形襯底的非極性a面AlN薄膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)襯底打磨

將r面Al₂O₃襯底水平放置，將金剛石砂紙水平放置在襯底上面，金剛石砂紙的顆粒直徑為1-15um，在金剛石砂紙上施加3-15牛頓的力對(duì)r面Al₂O₃襯底進(jìn)行平行打磨，打磨出平行于Al₂O₃襯底基準(zhǔn)邊或垂直于Al₂O₃襯底基準(zhǔn)邊的鋸齒狀條紋圖案；

(2)襯底清洗

將經(jīng)過(guò)打磨的r面Al₂O₃襯底先放入HF酸或HCl酸中超聲波清洗3-15min，然后依次在丙酮溶液、無(wú)水乙醇溶液和離子水中再分別超聲波清洗3-15min，最后用氮?dú)獯蹈桑?/p>

(3)襯底熱處理

將清洗后的r面Al₂O₃襯底置于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室后，抽真空將反應(yīng)室的真空度降低到小于2×10²Torr；接著向反應(yīng)室通入氫氣與氨氣的混合氣體，在MOCVD反應(yīng)室壓力達(dá)到為20-780Torr條件下，將襯底加熱到溫度為950-1150℃并保持6-11min，完成對(duì)襯底基片的熱處理；

(4)外延非極性a面AlN層

(4a)在經(jīng)過(guò)熱處理后的r面Al₂O₃襯底上生長(zhǎng)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD工藝生長(zhǎng)厚度為30-110nm的AlN成核層；

(4b)在AlN成核層之上采用MOCVD工藝生長(zhǎng)厚度為2000-5000nm的Al組分漸變AlGaN層，生長(zhǎng)溫度為1000-1100℃；

(4c)在Al組分漸變的AlGaN層之上，采用MOCVD工藝生長(zhǎng)厚度為700-1200nm的非極性a面AlN層。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明由于在r面Al₂O₃襯底上通過(guò)金剛石砂紙上打磨出平行基準(zhǔn)邊方向或垂直基準(zhǔn)邊方向的條紋圖案來(lái)制備圖形襯底，提高了材料質(zhì)量、簡(jiǎn)化了工藝、縮短了制作周期并且降低了成本。

2.本發(fā)明由于采用了Al組分漸變AlGaN層，大大降低了材料應(yīng)力。

本發(fā)明的技術(shù)方案可通過(guò)以下附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明非極性a面AlN薄膜剖面示意圖；

圖2是圖1中由金剛石砂紙打磨出的r面Al₂O₃圖形襯底剖面圖；

圖3是本發(fā)明制作非極性a面AlN薄膜的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參照?qǐng)D1，本發(fā)明的非極性a面AlN薄膜，包括：r面Al₂O₃襯底層、AlN成核層、Al組分漸變AlGaN層和非極性a面AlN層。

所述r面Al₂O₃襯底層，如圖2所示，其表面有通過(guò)金剛石砂紙打磨形成的鋸齒狀襯底條紋，該襯底條紋為平行于Al₂O₃襯底基準(zhǔn)邊或垂直于Al₂O₃襯底基準(zhǔn)邊，用于提高AlN材料的質(zhì)量；

所述AlN成核層，位于在r面Al₂O₃襯底層之上，其厚度為30-110nm；

所述Al組分漸變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(yīng)力，該漸變AlGaN層厚度為1500-5500nm；

所述非極性a面AlN層，位于Al組分漸變AlGaN層之上，其厚度為700-1200nm。參照?qǐng)D3，本發(fā)明給出制備非極性a面AlN薄膜的三種實(shí)施例。

實(shí)施例1，制備AlN成核層厚度為70nm，Al組分漸變AlGaN層厚度為3000nm和非極性a面AlN層厚度為1000nm的基于r面Al₂O₃圖形襯底的非極性a面AlN薄膜。

步驟1，對(duì)r面Al₂O₃襯底進(jìn)行磨制。

將r面Al₂O₃襯底水平放置，選擇顆粒直徑為9um的金剛石砂紙，將其放置在襯底表面，并施加的9牛頓的力，使砂紙沿平行于Al₂O₃襯底的基準(zhǔn)邊打磨，在Al₂O₃襯底上磨出鋸齒狀的條紋圖案，如圖2所示。

步驟2，對(duì)磨制好的Al₂O₃襯底進(jìn)行清洗。

將經(jīng)過(guò)打磨的r面Al₂O₃襯底先放入HF酸中超聲波清洗10min，然后依次在丙酮溶液、無(wú)水乙醇溶液和離子水中分別進(jìn)行超聲波清洗10min，最后用氮?dú)獯蹈伞?/p>

步驟3，對(duì)襯底基片進(jìn)行熱處理。

將r面Al₂O₃襯底置于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，先抽真空將反應(yīng)室的真空度降低到小于2×10^-2Torr，然后向反應(yīng)室通入氫氣與氨氣的混合氣體，使反應(yīng)室壓力為60Torr，將襯底加熱到1100℃，對(duì)襯底基片進(jìn)行8min的熱處理。

步驟4，生長(zhǎng)70nm厚的AlN成核層。

將熱處理后的襯底溫度保持在1100℃，再同時(shí)向反應(yīng)室通入不同流量的鋁源、氫氣和氨氣在保持壓力為60Torr的條件下，生長(zhǎng)厚度為70nm的AlN成核層，其中鋁源的流量為45μmol/min、氫氣的流量為1150sccm和氨氣的流量為3500sccm。

步驟5，在AlN成核層上生長(zhǎng)3000nm厚的Al組分漸變AlGaN層。

將已經(jīng)生長(zhǎng)了AlN成核層的襯底溫度降低為1050℃，在保持壓力為60Torr的條件下，同時(shí)調(diào)節(jié)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(zhǎng)出3000nm厚的Al組分漸變AlGaN層。

步驟6，生長(zhǎng)1000nm厚的非極性a面AlN層。

將已經(jīng)生長(zhǎng)了Al組分漸變AlGaN層的襯底溫度保持在1050℃，向反應(yīng)室同時(shí)通入流量為70μmol/min的鋁源、流量為1150sccm的氫氣和流量為2700sccm的氨氣，在保持壓力為60Torr的條件下生長(zhǎng)1500nm厚的非極性a面AlN層。

步驟7，將通過(guò)上述過(guò)程生長(zhǎng)的非極性a面AlN材料從MOCVD反應(yīng)室中取出，完成AlN非極性a面薄膜的制備。

實(shí)施例2，制備AlN成核層厚度為30nm，Al組分漸變AlGaN層厚度為1500nm和非極性a面AlN層厚度為700nm的基于r面Al₂O₃圖形襯底的非極性a面AlN薄膜。

步驟一，對(duì)r面Al₂O₃襯底進(jìn)行磨制。

將r面Al₂O₃襯底水平放置，選擇顆粒直徑為5um的金剛石砂紙，將其放置在襯底表面，并施加的5牛頓的力，使砂紙沿垂直于Al₂O₃襯底的基準(zhǔn)邊打磨，在Al₂O₃襯底上磨出鋸齒狀的條紋圖案，如圖2所示

步驟二，對(duì)磨制好的Al₂O₃襯底進(jìn)行清洗。

將經(jīng)過(guò)打磨的r面Al₂O₃襯底先放入HF酸中超聲波清洗3min，然后依次在丙酮溶液、無(wú)水乙醇溶液和離子水中分別超聲波清洗3min，最后用氮?dú)獯蹈伞?/p>

步驟三，對(duì)襯底基片進(jìn)行熱處理。

將r面Al₂O₃襯底置于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，先抽真空將反應(yīng)室的真空度降低到小于2×10^-2Torr，然后向反應(yīng)室通入氫氣與氨氣的混合氣體，使反應(yīng)室壓力達(dá)到20Torr，再將襯底加熱到950℃，對(duì)襯底基片進(jìn)行時(shí)間為6min的熱處理。

步驟四，生長(zhǎng)30nm厚的AlN成核層。

將熱處理后的襯底溫度升高到1050℃，再同時(shí)向反應(yīng)室通入不同流量的鋁源、氫氣和氨氣，在保持壓力為60Torr的條件下生長(zhǎng)厚度為70nm的AlN成核層，其中鋁源的流量為30μmol/min、氫氣的流量為1150sccm和氨氣的流量為2500sccm。

步驟五，在AlN成核層上生長(zhǎng)1500nm厚的Al組分漸變AlGaN層。

將已經(jīng)生長(zhǎng)了AlN成核層的襯底溫度降低為1000℃，在保持壓力為20Torr的條件下，同時(shí)調(diào)節(jié)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(zhǎng)出厚度為1500nm的Al組分漸變AlGaN層。

步驟六，生長(zhǎng)700nm厚的非極性a面AlN層。

將已經(jīng)生長(zhǎng)了Al組分漸變AlGaN層的襯底溫度保持在1000℃，向反應(yīng)室同時(shí)通入流量為10μmol/min的鋁源、流量為1150sccm氫氣和流量為1500sccm的氨氣，在保持壓力為20Torr的條件下生長(zhǎng)厚度為700nm的非極性a面AlN層。

步驟七，將通過(guò)上述過(guò)程生長(zhǎng)的非極性a面AlN材料從MOCVD反應(yīng)室中取出，完成非極性a面AlN薄膜的制備。

實(shí)施例3，制備AlN成核層厚度為110nm，Al組分漸變AlGaN層厚度為4500nm和非極性a面AlN層厚度為1200nm的基于r面Al₂O₃圖形襯底的非極性a面AlN薄膜。

步驟A，將r面Al₂O₃襯底水平放置，選擇顆粒直徑為15um的金剛石砂紙，將其放置在襯底表面，并施加的15牛頓的力，使砂紙沿平行于Al₂O₃襯底的基準(zhǔn)邊打磨，在Al₂O₃襯底上磨出鋸齒狀的條紋圖案，如圖2所示。

步驟B，將經(jīng)過(guò)打磨的r面Al₂O₃襯底先放入HCl酸中超聲波清洗15min，然后依次在丙酮溶液、無(wú)水乙醇溶液和離子水中分別超聲波清洗15min，最后用氮?dú)獯蹈伞?/p>

步驟C，將r面Al₂O₃襯底置于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，先抽真空將反應(yīng)室的真空度降低到小于2×10^-2Torr，然后向反應(yīng)室通入氫氣與氨氣的混合氣體，使反應(yīng)室壓力為780Torr，再將襯底加熱到1150℃，對(duì)襯底基片進(jìn)行11min的熱處理。

步驟D，將熱處理后的襯底溫度保持在1150℃，再同時(shí)向反應(yīng)室通入鋁源、氫氣和氨氣，在保持壓力為780Torr的條件下生長(zhǎng)厚度為110nm的AlN成核層，其中鋁源的流量為60μmol/min、氫氣的流量為1150sccm和氨氣的流量為4500sccm。

步驟E，將已經(jīng)生長(zhǎng)了AlN成核層的襯底溫度降低為1100℃，在保持壓力為780Torr的條件下，同時(shí)調(diào)節(jié)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(zhǎng)出厚度為4500nm的Al組分漸變AlGaN層。

步驟F，將已經(jīng)生長(zhǎng)了漸變AlGaN層的基片溫度保持在1100℃，向反應(yīng)室同時(shí)通入流量為150μmol/min的鋁源、流量為1150sccm氫氣和流量為5500sccm的氨氣，在保持壓力為780Torr的條件下，生長(zhǎng)厚度為1200nm的非極性a面AlN層。

步驟G，將通過(guò)上述過(guò)程生長(zhǎng)的非極性a面AlN材料從MOCVD反應(yīng)室中取出，完成非極性a面AlN薄膜的制備。

以上描述僅是本發(fā)明的三個(gè)具體實(shí)例，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。