AlGaN薄膜的制备方法

algan薄膜的制备方法
技术领域
1.本公开涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种algan薄膜的制备方法。


背景技术：

2.algan材料的禁带宽度可以在3.4
‑
6.2ev之间连续调节，利用这种材料制备的紫外发光二极管(uv led)和紫外激光器(uv ld)可以覆盖200到365nm的波长区间，发光区间覆盖uv
‑
a、uv
‑
b和uv
‑
c波段，具有低功耗、低电压、无汞环保、轻便灵活、波长易调、可靠性高等优点。
3.algan的材料质量是影响紫外光电器件性能的主要因素之一。由于大尺寸、低缺陷密度的aln单晶衬底较难获得，algan材料通常在如蓝宝石、碳化硅等异质衬底上外延。碳化硅衬底作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，碳化硅衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好等优点。碳化硅衬底和algan之间的晶格失配很小，但两者之间依然有很高的热失配。碳化硅衬底的热膨胀系数约3.07
×
10
‑6/℃，algan的热膨胀系数则较高(4.2～5.59
×
10
‑6/℃)，在外延和降温过程中aln和algan外延层受到强的张应力易产生高密度的缺陷甚至开裂。
4.公开内容
5.基于此，本公开提供了一种algan薄膜的制备方法，包括：对衬底进行热处理，以使衬底的生长面转变为岛状起伏结构；在生长面上生长多孔aln薄膜；在多孔aln薄膜上生长表面合并的algan薄膜。
6.根据本公开的实施例，其中，对衬底进行热处理包括：将衬底置于气体氛围中，加热至预设温度范围并保温预设时间段，其中，气体氛围包括纯净的h2氛围或h2/nh3混合气体氛围，预设温度范围为800℃
‑
1500℃，预设时间段范围为30s
‑
60min。
7.根据本公开的实施例，其中，在生长面上生长多孔aln薄膜包括：采用一步法或两步法在生长面上生长多孔aln薄膜。
8.根据本公开的实施例，其中，采用一步法在生长面上生长多孔aln薄膜包括：通入al源和n源，将生长温度设置为900
‑
1300℃，以生长多孔aln薄膜。
9.根据本公开的实施例，其中，采用两步法在生长面上生长多孔aln薄膜包括：通入al源和n源，将生长温度设置为600
‑
1100℃，以生长aln成核层；将温度升高至1000
‑
1350℃，以在aln成核层上生长aln高温层，其中，aln高温层表面为多孔结构。
10.根据本公开的实施例，在多孔aln薄膜上生长表面合并的algan薄膜包括：通入al源、ga源和n源，将生长温度设置为1000
‑
1150℃，以生长algan薄膜。
11.根据本公开的实施例，其中，衬底为碳化硅衬底，生长面为硅面。
12.根据本公开的实施例，在多孔aln薄膜上生长表面合并的algan薄膜之前，方法还包括：在多孔aln薄膜上生长插入层，在插入层上生长algan薄膜，其中，插入层包括组分渐变结构或alxgal
‑
xn/alygal
‑
yn超晶格或中间组分层或中间温度层，0≤x，y≤1，x≠y。
13.根据本公开的实施例，在对衬底进行热处理之前，方法还包括：将衬底依次放入浓
硫酸/双氧水混合溶液、氢氟酸溶液、去离子水中进行清洗；或将衬底依次放入丙酮有机溶液、异丙醇有机溶液、去离子水、氢氟酸溶液、去离子水中进行清洗。
14.根据本公开的实施例，其中，aln薄膜的平均孔径为10
‑
500nm。
附图说明
15.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
16.图1示意性示出了本公开一实施例提供的algan薄膜制备方法的流程图；
17.图2示意性示出了本公开一实施例的algan薄膜的外延结构示意图；
18.图3示意性示出了本公开另一实施例的algan薄膜的外延结构示意图；
19.图4示意性示出了本公开实施例的多孔aln薄膜的扫描电镜图；
20.图5示意性示出了本公开另一实施例提供的algan薄膜制备方法的流程图；
21.图6示意性示出了本公开又一实施例提供的algan薄膜制备方法的流程图。
具体实施方式
22.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
23.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
24.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
25.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
26.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
27.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一
个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
28.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
29.图1示意性示出了本公开一实施例提供的algan薄膜制备方法的流程图。
30.如图1所示，该方法例如可以包括操作s101～操作s103。
31.在操作s101，对衬底进行热处理，以使衬底的生长面转变为岛状起伏结构。
32.在本公开一实施例中，可以将衬底置于气体氛围中，加热至预设温度范围并保温预设时间段以实现热处理，其中，气体氛围可以包括纯净的h2氛围或h2/nh3混合气体氛围，预设温度范围可以为800℃
‑
1500℃，预设时间段范围可以为30s
‑
60min。其中，一种具体实施方式可以为：可以采用金属有机化学气相沉积(mocvd)技术对衬底进行热处理。具体的，将mocvd设备中的腔室压力设置为预设压力，例如50torr。通入流量为5000sccm的h2，将衬底加热到温度为800℃
‑
1500℃，并保持30s
‑
60min，对衬底的热处理。经过热处理后，衬底的生长面的形貌发生变化，由显著的原子台阶流表面变为有岛状起伏的表面，这种岛状起伏的表面有助于下一步形成多孔aln薄膜。
33.在本公开一实施例中，为了更好地保证制备的algan薄膜的质量，衬底优选为碳化硅衬底(4h
‑
sic)，对应的生长面优选为硅面。
34.在操作s102，在生长面上生长多孔aln薄膜。
35.在本公开一实施例中，可以采用一步法在生长面上生长多孔aln薄膜。
36.具体地，采用一步法在生长面上生长多孔aln薄膜例如可以包括：将mocvd设备中的腔室压力设置为预设压力，例如50torr。向mocvd设备中的腔室中通入al源和n源，将生长温度设置为900
‑
1300℃，以生长多孔aln薄膜。多孔aln薄膜的厚度例如可以为100
‑
500nm，平均孔径可以为10
‑
500nm。其中，可以采用tmal和nh3分别作为al源和n源。
37.在本公开另一实施例中，可以采用两步法在生长面上生长多孔aln薄膜。
38.具体地，采用两步法在生长面上生长多孔aln薄膜例如可以包括：将mocvd设备中的腔室压力设置为预设压力，例如50torr。向mocvd设备中的腔室中通入al源和n源，首先将生长温度设置为600
‑
1100℃，以生长aln成核层，然后将生长温度升高至1000
‑
1350℃，以在aln成核层上生长aln高温层，其中，aln高温层表面为多孔结构。aln成核层的厚度例如可以为5
‑
200nm，aln高温层的厚度例如可以为100
‑
2000nm，aln高温层表面的多孔结构的平均孔径可以为10
‑
500nm。
39.根据本公开的实施例，可以通过调节热处理时间、热处理温度、压力、h2或h2/nh3的流量、al和n的摩尔比等，以灵活调控多孔aln薄膜的孔隙尺寸和密度。
40.在操作s103，在多孔aln薄膜上生长表面合并的algan薄膜。
41.在本公开实施例中，可以将mocvd设备中的腔室压力保持预设压力，例如50torr，通入al源、ga源和n源，将生长温度设置为1000
‑
1150℃，以在aln薄膜上生长表面平整且合并的algan薄膜。其中，表面合并可以指algan薄膜的表面没有空隙，是连续的。由于多孔aln
薄膜的多孔结构孔径不高于500nm，其尺寸小，因而其上的algan薄膜横向合并长度较短，组分偏析现象不显著，整体组分分布均匀。制备的algan薄膜的外延结构如图2及图3所示，其中，图2示意性示出了本公开一实施例的algan薄膜的外延结构示意图，其中多孔aln薄膜外延层采用一步法制备，图3示意性示出了本公开另一实施例的algan薄膜的外延结构示意图，其中多孔aln薄膜外延层采用两步法制备。图4示意性示出了本公开实施例的多孔aln薄膜的扫描电镜图，从图2
‑
图4可以看出，多孔aln薄膜的孔隙分布均匀。
42.根据本公开的实施例，通过设置合理的热处理条件，对衬底进行热处理，以将衬底的生长面的形貌由显著的原子台阶流表面变为有岛状起伏的表面，基于该岛状起伏的表面可以很好地形成孔径和孔隙率可调节的多孔aln薄膜，使得在多孔aln薄膜上制备algan薄膜时，algan薄膜的部分位错弯曲，以降低位错密度，同时，通过控制多孔aln薄膜的孔径尺寸和孔隙率以及algan层的合并速度，充分释放algan层中的应力，减少后续algan层的合并厚度，避免algan组分分布显著不均匀，最终得到高质量的algan薄膜。此外，该制备工艺简单可控、重复性好，原位生长多孔aln外延模板，避免在生长过程中取出样片造成污染，缩短了制作周期并降低了成本。
43.图5示意性示出了本公开另一实施例提供的algan薄膜制备方法的流程图。
44.如图5所示，该方法除可以包括操作s101～操作s103，在对衬底进行热处理之前，例如还可以包括操作s501。
45.在操作s501，对衬底进行清洗。
46.在本公开一实施例中，可以将衬底依次放入浓硫酸/双氧水混合溶液、去离子水、氢氟酸溶液、去离子水中进行清洗，去除表面有机沾染物和无机金属颗粒，最后用氮气枪吹干。
47.在本公开另一实施例中，可以将衬底依次放入丙酮有机溶液、异丙醇有机溶液、去离子水、氢氟酸溶液、去离子水中进行清洗，去除表面有机沾染物和无机金属颗粒，最后用氮气枪吹干。
48.根据本公开的实施例，由于选用合理的溶剂及方式对衬底进行清洗，在不破坏衬底结构的基础上，去除表面有机沾染物和无机金属颗粒，进而进一步提升algan薄膜的质量。
49.图6示意性示出了本公开又一实施例提供的algan薄膜制备方法的流程图。
50.如图6所示，该方法除可以包括操作s501、操作s101～操作s103，在多孔aln薄膜上生长表面合并的algan薄膜之前，例如还可以包括操作s601。
51.在操作s601，在多孔aln薄膜上生长插入层。
52.在本公开一实施例中，先在多孔aln薄膜上生长插入层，然后在插入层生长algan薄膜。其中，插入层包括组分渐变结构或alxgal
‑
xn/alygal
‑
yn超晶格或中间组分层或中间温度层，0≤x，y≤1，x≠y。
53.根据本公开的实施例，插入层的存在可以进一步缓解algan薄膜所受的应力，进一步提升algan薄膜的质量。
54.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保
护范围之内。