①課題來源與背景
氮化鋁(AlN)屬于第三代寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度高，擊穿電場高，熱導率高，電子飽和速率高以及抗輻射能力高等優(yōu)點。AlN晶體具有穩(wěn)定的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)AlN在III-V族不半導體材料中具有最大的直接帶隙，約6.2eV，是重要的藍光和紫外發(fā)光材料。其熱導率高，電阻率高，擊穿場強大，介電系數(shù)小，是優(yōu)異的高溫高頻和大功率器件用電子材料。并且，沿c軸取向的AlN具有非常好的壓電特性和聲表面波高速傳播性，是優(yōu)異的聲表面波器件用壓電材料。同時，AlN晶體與氮化鎵晶體有非常接近的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，是外延生長AlGaN光電器件的優(yōu)選襯底材料。基于AlN薄膜以上優(yōu)異的特性，AlN薄膜材料被廣泛用于紫外探測器，高電子遷移率晶體管(HEMT)，紫外發(fā)光二極管(LED)。雖然AlN具有諸多的優(yōu)點，但是AlN材料卻非常難以制備。制備AlN需要高溫設備以及精準的源流量控制系統(tǒng)。目前制備高質(zhì)量AlN薄膜存在以下難點：(1)因Al原子的遷移速率非常慢，需要高溫設備提升Al原子在襯底表面的遷移速率。一般地，高溫設備的溫度需要超過1200℃；(2)AlN和襯底之間的晶格失配較低，如此會導致AlN薄膜在生長過程中容易產(chǎn)生巨大的內(nèi)應力，而應力釋放最終會在AlN薄膜表面產(chǎn)生嚴重的裂紋；(3)為了減少或消除表面裂紋，降低厚度是一個方向，但是厚度降低將會使得AlN薄膜的晶體質(zhì)量惡化，以致無法滿足器件制備的需要；(4)AlN薄膜在生長過程中，隨著厚度的增加還會出現(xiàn)線缺陷和位錯等缺陷；(5)AlN薄膜的高晶體質(zhì)量和AlN薄膜的完整無裂紋是兩個相互矛盾的技術難題，目前為了獲得高質(zhì)量AlN薄膜，一定程度上需要犧牲表面特性，而為了獲得優(yōu)良的表面特性必將導致AlN薄膜的晶體質(zhì)量下降。
②技術原理及性能指標
本項目提供一種氮化鋁膜的生長方法和應用，該方法既能使得AlN薄膜生長過程中的應力得到很好地釋放，消除AlN薄膜的表面裂紋，同時，可以增加AlN的生長厚度以及降低AlN薄膜生長過程中會出現(xiàn)的位錯和線缺陷，顯著提高AlN薄膜晶體質(zhì)量，從而有利于提升AlN薄膜材料上制備器件的性能。通過引入納米級柱體凹陷，使得AlN薄膜在生長過程中產(chǎn)生的巨大內(nèi)應力得到釋放，從而抑制了AlN薄膜表面裂紋的產(chǎn)生；使第二氮化鋁層和第三氮化鋁生長過程中出現(xiàn)的線缺陷和位錯等缺陷在納米級柱體凹陷區(qū)域得到極大地湮滅，從而可以獲得低缺陷濃度，高晶體質(zhì)量的AlN薄膜；通過蝕刻得到的納米級柱體缺陷易形成光子晶體，對后續(xù)的AlN薄膜上的器件加工起到積極的正向作用；生成的AlN薄膜不僅無裂紋，且具有高的晶體質(zhì)量，因此能夠極大改善AlN薄膜上器件的性能。
③技術的創(chuàng)造性與先進性
本項目通過提供一種氮化鋁膜的生長方法和應用，生長方法包括以下步驟：1)通入三甲基鋁和氨氣，在襯底上生成第一氮化鋁層；2)對第一氮化鋁層進行納米級柱體蝕刻處理，得到柱體凹陷氮化鋁層，所述柱體凹陷氮化鋁層中具有多個納米級柱體凹陷；3)控制反應室的溫度和壓力，通入三甲基鋁和氨氣，在柱體凹陷氮化鋁層上生成第二氮化鋁層；4)控制反應室的溫度和壓力，通入三甲基鋁和氨氣，在第二氮化鋁層上生成第三氮化鋁層；其中，步驟3)中氨氣和三甲基鋁的摩爾流量比小于步驟4)中氨氣和三甲基鋁的摩爾流量比；氮化鋁膜為第一氮化鋁層、第二氮化鋁層和第三氮化鋁層的集合。本發(fā)明能夠顯著提高AlN薄膜晶體質(zhì)量。
④技術的成熟程度，適用范圍和安全性
本項目技術成熟可靠，可適用于紫光LED外延片生長制造工藝工序中，技術指標及產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟指標均符合項目要求，提升AlN薄膜晶體質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品良率。
⑤應用情況及存在的問題
本項目已成熟應用于生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，已實現(xiàn)產(chǎn)品銷售，客戶應用狀況良好，未反饋存在其他異常問題。