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不同晶向的蓝宝石衬底上磁控溅射AlN薄膜的结构和光学特性

2022-03-07

 

作为一种超宽禁带半导体材料,AlN因具有击穿场强高、耐高温高压性能好、压电性能优异等特点而受到了研究者们的广泛关注。AlN在各种光电、电子电力器件和声波滤波器中均存在相关应用,考虑到现阶段单晶AlN衬底生长技术还不成熟,AlN薄膜主要依赖异质外延技术进行制备。目前,在各种外延技术中,金属有机化学气相沉积(MOCVD)被认为是外延AlN最为广泛使用的技术之一,但始终面临着生长周期较长、成本较高,以及生长温度过高导致衬底选择少等问题。与MOCVD相比,反应磁控溅射制备AlN单晶薄膜作为一种替代技术,具有设备及工艺成本低、生长过程中无副产品、杂质含量少等优势,但受制于Al原子迁移率低的本征属性,磁控溅射过程中AlN的柱状生长模式会导致位错和缺陷的产生。近年来,日本三重大学提出了磁控溅射结合高温退火的工艺改善AlN晶体质量,但目前高温退火对磁控溅射AlN的晶面取向和光学特性的影响尚不清楚,深入研究不同晶面蓝宝石衬底上磁控溅射AlN经过高温退火后的结构和光学特性变化,有助于进一步厘清和明晰基于磁控溅射技术的超宽禁带半导体材料生长技术路线图,为深紫外光电子器件的效率提升奠定基础。

近日,中科院宁波材料研究所叶继春研究员、郭炜研究员、孟凡平博士等采用磁控溅射技术分别在(0001)、(10-10)和(11-20)等不同晶面取向的蓝宝石衬底上沉积AlN薄膜,并在1700 ℃下进行了退火。结果表明AlN薄膜的结晶质量在高温退火之后得到了极大的改善,在高温退火之后,沉积在c面和a面蓝宝石上的AlN(0002)摇摆曲线的半高宽分别低至68和151 arsec,比退火前降低了数倍。此外,在高温退火后,由于点缺陷密度降低,AlN薄膜的吸收带边蓝移、深紫外透射率升高。磁控溅射AlN的结构和光学性能的改善证明了高温退火处理具有在半极性和非极性衬底上实现高质量AlN的巨大潜力,这一技术为制备大尺寸、高质量的非极性、半极性面紫外发光器件提供了一种可能:在这样的结构中,自发极化强度得以显著降低,从而避免了电子和空穴在空间中的分布不均匀引起的器件效率恶化的问题。

图1. 高温退火前后在c面(a)和a面(b)蓝宝石衬底上溅射的AlN(0002)取向高分辨XRD摇摆曲线图。其中C1,A1为退火前,C2和A2为退火后。

表1. 通过α2与光子能量曲线计算拟合得到的AlN禁带宽度。

Structural and optical properties of AlN sputtering deposited on sapphire substrates with various orientations

Xianchun Peng, Jie Sun, Huan Liu, Liang Li, Qikun Wang, Liang Wu, Wei Guo, Fanping Meng, Li Chen, Feng Huang and Jichun Ye

J. Semicond. 2022, 43(2): 022801.

doi: 10.1088/1674-4926/43/2/022801.

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/2/022801%20?pageType=en

来源:半导体学报公众号

 

 

 



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