[发明专利]制备大尺寸宽禁带单晶薄膜的结构和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用双层氮化铝缓冲层在硅单晶上制备大尺寸宽禁带单晶薄膜的方法。 

背景技术

氮化物和碳化硅（SiC）等宽禁带单晶薄膜材料由于优良的理化性能在微电子和光电子等国民经济的各个重要领域得到广泛应用。因为缺乏高质量的单晶材料作为同质衬底，氮化物薄膜生长均采用大失配度的异质外延方式。相比之下，SiC单晶材料由于晶格失配小、热导率高等特点，适合于做氮化物和SiC等单晶薄膜的外延衬底。但是SiC单晶材料制备难度高、硬度高加工难度大、来源少，与成熟的硅工艺不兼容等多种不利因素导致价格昂贵，短期内无法在宽禁带晶薄膜生长领域大规模应用。单晶硅（Si）的尺寸大、晶体质量高、导热较好、硬度小、加工工艺成熟、易于实现集成、价格低廉等优点更为突出，作为衬底材料可以显著降低成本，因此，单晶Si衬底生长氮化物和SiC等宽禁带单晶薄膜是未来重要的产业化方法之一，尤其是在与主流硅工业结合后必将占领广阔的市场空间；虽然单晶Si衬底上生长氮化物或SiC宽禁带单晶薄膜有如此多的优势，但是有一个瓶颈始终阻碍着这项技术的快速发展；通常，宽禁带单晶薄膜在Si衬底上生长时晶格常数和热膨胀系数都存在较大的失配，会造成外延薄膜产生大量的位错和缺陷，甚至出现高密度的裂纹；为此，研究者们也提出了很多改善Si基宽禁带单晶薄膜晶体质量的方法；其中综合利用单晶Si和SiC材料的优点，在单晶Si衬底上经过碳化后制备SiC缓冲层，然后发挥SiC与氮化物间晶格失配小的优点，以其为模板生长氮化物薄膜；一般地，单晶Si上生长的3C-SiC属于立方相，在此基础上生长的宽禁带单晶薄膜也是立方相结构。氮化物或SiC等宽禁带单晶薄膜的立方相与六方相是常见的两种晶体结构，二者性质差异较大，通常六方相结构的晶体质量、表面形貌和稳定性等都比立方相的好；从目前的研究报导来看，单晶Si上生长的3C-SiC薄膜的质量较差，表面粗糙度高，还未达到六方相薄膜的实用水平。

发明内容

本发明提出了一种在单晶Si衬底上制备大尺寸高质量六方相宽禁带单晶薄膜的结构和方法；针对单晶Si衬底上立方相SiC缓冲层方法存在的不足，采用低温和高温氮化铝（AlN）多缓冲层结构制备高质量六方相SiC单晶薄膜，进一步提高宽禁带单晶薄膜的品质；发挥低温AlN层的成核和应力缓冲作用，改善高温AlN缓冲层的晶体质量和表面形貌，获得高质量的SiC单晶薄膜，避免了单晶Si衬底上直接制备立方相SiC单晶薄膜的不足，本发明具有结构简单，工艺难度小，容易实现等优点。

本发明的技术解决方案：其结构是在单晶硅衬底上制备氮化铝（AlN）缓冲层；在氮化铝（AlN）缓冲层上是氮化铝（AlN）缓冲层；在氮化铝（AlN）缓冲层上是碳化硅（SiC）单晶薄膜；在碳化硅（SiC）单晶薄膜上是六方相宽禁带单晶薄膜；

其制备方法，包括如下工艺步骤：

一、在单晶硅衬底上制备氮化铝（AlN）缓冲层；

二、在氮化铝（AlN）缓冲层上制备氮化铝（AlN）缓冲层；

三、降至室温，取出；

四、在氮化铝（AlN）缓冲层上制备碳化硅（SiC）单晶薄膜；

五、降至室温，取出；

六、在碳化硅（SiC）单晶薄膜上制备宽禁带单晶薄膜，其结构为六方相；如果制备氮化物单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上首先制备氮化铝成核层，再在氮化铝成核层上制备氮化物单晶薄膜；如果制备SiC单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上直接制备碳化硅（SiC）单晶薄膜；

七、降至室温，取出。

所述的氮化铝（AlN）缓冲层的制备温度T_L为20℃≤T_L≤900℃，厚度t_L为0μm< t_L≤1μm。可以采用外延生长、溅射等常规薄膜制备方法实现。

所述氮化铝（AlN）缓冲层的制备温度T_H为900℃≤T_H≤1350℃，厚度t_H为0μm< t_H≤3μm；可以采用外延生长、溅射等常规薄膜制备方法实现。

所述碳化硅（SiC）单晶薄膜的厚度t_S为0μm< t_S≤50μm，其结构为六方相。

所述的单晶碳化硅（SiC）缓冲层可以通过掺杂V族元素形成n型或掺杂III族元素形成p型，作为单晶衬底材料使用。

所述的宽禁带单晶薄膜的结构为六方相。