一种氮化铝薄膜的制备方法
阅读说明：本技术 一种氮化铝薄膜的制备方法 (Preparation method of aluminum nitride film ) 是由 蒋国文 徐广源 樊怡翔 常煜鹏 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种氮化铝薄膜的制备方法,包括以下步骤：(1)、在衬底上溅射一层氮化铝缓冲层；(2)、将溅射有氮化铝缓冲层的衬底放入MOCVD炉中,在所述氮化铝缓冲层上外延生长氮化铝层或铝镓氮层；(3)、在所述氮化铝层或铝镓氮层上生长掺杂铝镓氮层；(4)、按照顺序反复进行步骤(2)和步骤(3),周期数为2～20次；(5)、对生长完成后的所述衬底进行高温退火。其通过使用MOCVD生长的氮化铝或铝镓氮层与掺杂铝镓氮层周期结构替代溅射氮化铝层,可以减小退火氮化铝薄膜的应变,从而改善制作器件的发光效率,以及阈值电压。(The invention relates to a preparation method of an aluminum nitride film, which comprises the following steps: (1) sputtering a layer of aluminum nitride buffer layer on the substrate; (2) placing the substrate sputtered with the aluminum nitride buffer layer into an MOCVD furnace, and epitaxially growing an aluminum nitride layer or an aluminum gallium nitride layer on the aluminum nitride buffer layer; (3) growing an aluminum gallium nitrogen doped layer on the aluminum nitride layer or the aluminum gallium nitrogen layer; (4) repeating the step (2) and the step (3) in sequence, wherein the cycle number is 2-20 times; (5) and carrying out high-temperature annealing on the substrate after the growth is finished. By using the periodic structure of the aluminum nitride or the aluminum gallium nitride layer grown by MOCVD and the doped aluminum gallium nitride layer to replace a sputtered aluminum nitride layer, the strain of an annealed aluminum nitride film can be reduced, thereby improving the luminous efficiency and the threshold voltage of a manufactured device.)
技术领域
本发明属于半导体外延衬底制备
技术领域
，涉及一种用于形成紫外LED外延结构的衬底的制备方法，尤其涉及一种氮化铝薄膜的制备方法。背景技术
现有的退火氮化铝薄膜，一般是在衬底上溅射50nm～500nm的氮化铝缓冲层，然后在1300℃～1700℃退火温度下进行高温退火以得到氮化铝薄膜。但是，由于氮化铝与衬底之间存在晶格失配及热失配，现有技术得到的氮化铝薄膜存在应变较大的问题。这样，后续在氮化铝薄膜上制作发光器件时，较大的应变会降低器件的发光效率，以及增加阈值电压。
鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的氮化铝薄膜的制备方法。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种氮化铝薄膜的制备方法，其通过使用MOCVD生长的氮化铝或/铝镓氮层与掺杂铝镓氮层的周期结构替代溅射氮化铝，可以减小退火氮化铝薄膜的应变，从而改善制作器件的发光效率，以及阈值电压。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种氮化铝薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在衬底上溅射一层氮化铝缓冲层；
(2)、将溅射有氮化铝缓冲层的衬底放入MOCVD炉中，在所述氮化铝缓冲层上外延生长氮化铝层或铝镓氮层；
(3)、在所述氮化铝层或铝镓氮层上生长掺杂铝镓氮层；
(4)、按照顺序反复进行步骤(2)和步骤(3)，周期数为2～20次；
(5)、对生长完成后的所述衬底进行高温退火。
优选地，其中，所述步骤(2)具体为：将溅射有氮化铝缓冲层的衬底放入MOCVD炉中，将MOCVD炉升温至1000℃～1400℃，通入0.2～2mol/min的氨气，同时通入0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0～0.01mol/min的三甲基镓，并保持0.2～2h，外延生长出厚度为1nm-20nm的氮化铝层或铝镓氮层，其中，所述氮化铝层或铝镓氮层的铝组分在0.2％～90％之间。
优选地，其中，所述步骤(3)具体为：将MOCVD炉的温度调整至800℃～1200℃，通入0.2～2mol/min的氨气，0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0.001～0.01mol/min的三甲基镓，同时通入掺杂剂，掺杂剂的剂量为10-6～0.01mol/min，掺杂浓度为1016～1021，并保持0.2～2h，得到厚度为1nm-20nm的掺杂铝镓氮层，且所述掺杂铝镓氮层中铝组分在0.2％～90％之间。
优选地，其中，所述掺杂剂为Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe或Zn。
优选地，其中，按照顺序反复进行步骤(2)和步骤(3)的过程中，温度，氨气、三甲基铝、三甲基镓、掺杂剂的通入量以及保持时间能够在给定的范围内随意变化。
优选地，其中，所述步骤(1)中的溅射温度为100℃～500℃，溅射时间为1分钟～300分钟，溅射厚度为1nm～500nm。
优选地，其中，所述衬底是蓝宝石、硅片或碳化硅。
优选地，其中，所述步骤(5)中的退火温度为1300℃～1900℃，退火时间为1～10h。
与现有技术相比，本发明的氮化铝薄膜的制备方法具有如下有益技术效果：
1、其使用MOCVD生长的氮化铝或铝镓氮层与掺杂铝镓氮层的周期结构替代溅射氮化铝，能够减小退火氮化铝薄膜的应变。
2、其可以改善制作器件的发光效率，以及阈值电压，例如，可以将发光效率由2mW增加到2.5mW，阈值电压由7V降低为6V等。
附图说明
图1是本发明的氮化铝薄膜的制备方法的流程图。
图2是采用本法的氮化铝薄膜的制备方法制备的氮化铝薄膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
为了克服现有技术所存在的问题，本发明提出一种氮化铝薄膜的制备方法，其通过使用MOCVD生长的氮化铝或/铝镓氮层与掺杂铝镓氮层的周期结构替代溅射氮化铝，可以减小退火氮化铝薄膜的应变，从而改善制作器件的发光效率，以及阈值电压。
图1示出了本发明的氮化铝薄膜的制备方法的流程图。如图1所示，本发明的氮化铝薄膜的制备方法包括以下步骤：
一、在衬底上溅射一层氮化铝缓冲层
在本发明中，通过溅射的方式在衬底上溅射一层氮化铝缓冲层。其中，为了获得更好的溅射效果，使得溅射温度为100℃～500℃，溅射时间为1分钟～300分钟，溅射厚度为1nm～500nm。采用这种溅射条件，能够获得质量更好的氮化铝缓冲层。
同时，在本发明中，所述衬底可以是蓝宝石、硅片或碳化硅等。
二、将溅射有氮化铝缓冲层的衬底放入MOCVD炉中，在所述氮化铝缓冲层上外延生长氮化铝层或铝镓氮层。
在本发明中，采用MOCVD的方式在溅射有氮化铝缓冲层的衬底上外延生长氮化铝层或铝镓氮层。
具体地，将溅射有氮化铝缓冲层的衬底放入MOCVD炉中，将MOCVD炉升温至1000℃～1400℃，通入0.2～2mol/min的氨气，同时通入0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0～0.01mol/min的三甲基镓，并保持0.2～2h，外延生长出厚度为1nm-20nm的氮化铝层或铝镓氮层。其中，所述氮化铝层或铝镓氮层的铝组分在0.2％～90％之间。
需要说明的是，在本发明中，在所述氮化铝缓冲层上可以外延生长氮化铝层，也可以外延生长铝镓氮层。当需要在所述氮化铝缓冲层上可以外延生长氮化铝层时，所述三甲基镓的通入量为0。
三.在所述氮化铝层或铝镓氮层上生长掺杂铝镓氮层。
在本发明中，在外延生长出氮化铝层或铝镓氮层之后，还需要继续采用MOCVD的方式在所述氮化铝层或铝镓氮层上外延生长出掺杂铝镓氮层。
具体地，在外延生长出氮化铝层或铝镓氮层之后，将MOCVD炉的温度调整至800℃～1200℃，通入0.2～2mol/min的氨气，0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0.001～0.01mol/min的三甲基镓，同时通入掺杂剂，掺杂剂的剂量为10-6～0.01mol/min，掺杂浓度为1016～1021，并保持0.2～2h，得到厚度为1nm-20nm的掺杂铝镓氮层。且所述掺杂铝镓氮层中铝组分在0.2％～90％之间。
需要说明的是，掺杂浓度指的是每立方厘米的掺杂铝镓氮层中含有的掺杂原子的个数。
并且，在本发明中，为了获得更好的技术效果，所述掺杂剂可以为Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe或Zn中的一种或多种。
三、按照顺序反复进行步骤(一)和步骤(三)，周期数为2～20次。
需要说明的是，在按照顺序反复进行步骤(二)和步骤(三)的过程中，在不同的周期中，温度、氨气的通入量、三甲基铝的通入量、三甲基镓的通入量、掺杂剂的通入量以及保持时间等都可以在给定的范围内随意变化。这里的随意变换指的是不受规律约束，可以在上述给定范围内无规则的变化。并且，在不同的周期中，不要求各个参数完全一样。
(五)、对生长完成后的所述衬底进行高温退火。
在生长完成之后，即可对其进行高温退火处理。
在本发明中，在进行高温退火处理时，退火温度为1300℃～1900℃，退火时间为1～10h。这种退火条件，能够保证退火后的氮化铝薄膜的质量。
退火完成之后，即可获得氮化铝薄膜。采用本发明的氮化铝薄膜的制备方法制备的氮化铝薄膜的结构如图2所示。
下面以几个实施例详细描述本发明。
【实施例1】
1、在衬底上用溅射的方法溅射一层氮化铝缓冲层。所述衬底可以是蓝宝石、硅片、碳化硅。其中，溅射温度为100℃～500℃，溅射时间为1分钟～300分钟，溅射厚度为1nm～500nm。
2、溅射完成后，将所述衬底放入MOCVD炉进行外延生长氮化铝层。其中，MOCVD升温至1000℃～1400℃，通入0.2～2mol/min的氨气，同时通入0.001～0.01mol/min的三甲基铝，保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm。
3、外延生长完氮化铝层之后，将MOCVD炉调整温度至800℃～1200℃，生长掺杂铝镓氮层。其中，通入0.2～2mol/min的氨气，0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0.001～0.01mol/min的三甲基镓。同时通入掺杂剂，掺杂剂可以为Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn，掺杂剂的剂量为10-6～0.01mol/min，掺杂浓度为1016～1021。保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm，铝组分在0.2％～90％之间。
4、反复进行步骤2和步骤3，周期数为2～20次。本过程中的温度，氨气、三甲基铝、三甲基镓、掺杂剂通入量，保持时间与步骤2和步骤3完全保持一致。
5、将生长完成后的所述衬底进行高温退火。其中，高温退火在1300℃～1900℃保持1～10h。
该实施例的特点在于，MOCVD生长的结构为周期性的AlN/AlGaN结构，AlGaN层可掺入Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn元素，AlN层厚度明显大于AlGaN层厚度，AlGaN层是作为薄插入层插入到AlN层之间。
【实施例2】
1、在衬底上用溅射的方法溅射一层氮化铝缓冲层。所述衬底可以是蓝宝石、硅片、碳化硅。其中，溅射温度为100℃～500℃，溅射时间为1分钟～300分钟，溅射厚度为1nm～500nm。
2、溅射完成后，将所述衬底放入MOCVD炉进行外延生长氮化铝层。其中，MOCVD炉升温至1000℃～1400℃，通入0.2～2mol/min的氨气，同时通入0.001～0.01mol/min的三甲基铝，保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm。
3、MOCVD炉调整温度至800℃～1200℃生长掺杂铝镓氮层。其中，通入0.2～2mol/min的氨气，0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0.001～0.01mol/min的三甲基镓。同时，通入掺杂剂，掺杂剂可以为Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn，掺杂剂的剂量为10-6～0.01mol/min，掺杂浓度为1016～1021。保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm，铝组分在0.2％～90％之间.
4、反复进行步骤2和步骤3，周期数为2～20次。本过程中的温度，氨气、三甲基铝、三甲基镓、掺杂剂通入量，保持时间与步骤2和步骤3完全保持一致。
5、生长完成后，将所述衬底高温退火。其中，高温退火温度在1300℃～1900℃，保持1～10h。
该实施例的特点在于，MOCVD生长的结构为周期性AlN/AlGaN结构，AlGaN层可掺入Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn元素，AlN层厚度与AlGaN层厚度相差不超过10倍，AlN层与AlGaN层组成超晶格结构。
【实施例3】
1、在衬底上用溅射的方法溅射一层氮化铝缓冲层。所述衬底可以是蓝宝石、硅片、碳化硅。其中，溅射温度为100℃～500℃，溅射时间为1分钟～300分钟，溅射厚度为1nm～500nm。
2、溅射完成后，将所述衬底放入MOCVD炉进行外延生长氮化铝层。其中，MOCVD炉升温至1000℃～1400℃，通入0.2～2mol/min的氨气，同时通入0.001～0.01mol/min的三甲基铝，保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm。
3、生长氮化铝层之后，所述MOCVD炉调整温度至800℃～1200℃生长掺杂铝镓氮层。其中，通入0.2～2mol/min的氨气，0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0.001～0.01mol/min的三甲基镓。同时通入掺杂剂，掺杂剂可以为Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn，掺杂剂的剂量为10-6～0.01mol/min，掺杂浓度为1016～1021。保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm，铝组分在0.2％～90％之间。
4、反复进行步骤2和步骤3，周期数为2～20次。本过程中重复步骤2时的温度，氨气、三甲基铝、三甲基镓、掺杂剂通入量，保持时间与步骤2完全保持一致；重复步骤3时，铝组分依次降低或依次升高，其他条件与步骤3保持一致。
5、生长完成后，将所述衬底高温退火。其中，退火温度在1300℃～1900℃，退火时间保持1～10h。
该实施例的特点在于，MOCVD生长的结构为周期性AlN/AlGaN结构，AlGaN层可掺入Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn元素，且AlGaN层的Al组分为依次降低或依次升高的渐变组分。
【实施例4】
1、在衬底上用溅射的方法溅射一层氮化铝缓冲层。所述衬底可以是蓝宝石、硅片、碳化硅。其中，溅射温度为100℃～500℃，溅射时间为1分钟～300分钟，溅射厚度为1nm～500nm。
2、溅射完成后，将所述衬底放入MOCVD炉进行外延生长铝镓氮层。其中，MOCVD炉升温至1000℃～1400℃，通入0.2～2mol/min的氨气，同时通入0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0.001～0.01mol/min的三甲基镓，保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm，铝组分为X1。
3、生长完铝镓氮层后，将MOCVD炉调整温度至800℃～1200℃生长掺杂铝镓氮层。其中，通入0.2～2mol/min的氨气，0.001～0.01mol/min的三甲基铝，0.001～0.01mol/min的三甲基镓。同时通入掺杂剂，掺杂剂可以为Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn，掺杂剂的剂量为10-6～0.01mol/min，掺杂浓度为1016～1021。保持0.2～2h，厚度约1nm-20nm，铝组分为X2。
4、反复进行步骤2和步骤3，周期数为2～20次。本过程中的温度，氨气、三甲基铝、三甲基镓、掺杂剂通入量，保持时间与步骤2和步骤3完全保持一致。
5、生长完成后，将所述衬底高温退火。其中，高温退火的退火温度在1300℃～1900℃，退火时间保持1～10h。
该实施例的特点在于，MOCVD生长的结构为组分为X1的AlGaN与组分为X2的AlGaN的周期性结构，组分为X2的AlGaN层可掺入Si、Ge、Li、Be、Mg、Fe、Zn元素。
本发明的氮化铝薄膜的制备方法通过使用MOCVD生长的氮化铝或/铝镓氮层与掺杂铝镓氮层的周期结构替代溅射氮化铝，可以减小退火氮化铝薄膜的应变，从而改善制作器件的发光效率，以及阈值电压。例如，通过传统方法在2英寸蓝宝石衬底上溅射200nm的氮化铝缓冲层，然后在1500℃退火得到氮化铝薄膜，衬底的翘曲为40um，用该衬底制作器件，光功率为2mW，阈值电压为7V；而使用本发明的方法在2英寸蓝宝石衬底上溅射10nm的氮化铝缓冲层，然后1200℃生长40nm氮化铝层，1100℃生长10nm铝镓氮层，铝镓比为4：1，掺杂剂为Si，掺杂浓度为1020,周期数为4，则衬底的翘曲为25um，用该衬底制作器件，光功率为2.5mW，阈值电压为6V。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员，依据本发明的思想，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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