aln薄膜材料在電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

aln薄膜材料在電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

0a族金屬薄膜的應(yīng)用電子薄膜材料是電子技術(shù)和電子技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，對(duì)各種新型電子膜材料的研究已成為許多科學(xué)研究人員的中心。AlN于19世紀(jì)60年代被人們發(fā)現(xiàn),可作為電子薄膜材料,并具有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),以ⅢA族氮化物為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料和電子器件發(fā)展迅猛,被稱為繼以Si為代表的第一代半導(dǎo)體和以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體之后的第三代半導(dǎo)體。AlN作為典型的ⅢA族氮化物得到了越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外科研人員的重視。目前,各國(guó)競(jìng)相投入大量的人力、物力對(duì)AlN薄膜進(jìn)行研究工作。由于AlN有諸多優(yōu)異性能,帶隙寬、極化強(qiáng),禁帶寬度為6.2eV,使其在機(jī)械、微電子、光學(xué),以及電子元器件、聲表面波器件(SAW)制造、高頻寬帶通信和功率半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了AlN薄膜的電學(xué)特性和制備方法,主要綜述了氮化鋁薄膜的應(yīng)用及研究進(jìn)展。1熱法優(yōu)勢(shì)特性氮化鋁(AlN)是Ⅲ-Ⅴ族化合物,一般以六方晶系中的纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在,有許多優(yōu)異的性能,諸如高的熱傳導(dǎo)性、低的熱膨脹系數(shù)、高的電絕緣性質(zhì)、高的介質(zhì)擊穿強(qiáng)度、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和低毒害性、良好的光學(xué)性能等。與其它常用電子材料相比(見表1),可以更清晰地看到它的優(yōu)異特性。2其他合成aln薄膜的方法AlN薄膜的制備方法有很多,比較成熟的主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法(PACVD)、激光化學(xué)氣相沉積法(LCVD)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、反應(yīng)分子束外延法(MBE)、脈沖激光沉積法(PLD)、離子注入法和磁控反應(yīng)濺射法(MRS),其中化學(xué)氣相沉積法和磁控反應(yīng)濺射法的應(yīng)用更為廣泛。此外,還有很多新的制備技術(shù)正在研發(fā)中。太原理工大學(xué)的潘俊德等對(duì)電子浴輔助陰極電弧源法合成AlN薄膜做了大量的研究工作。門傳玲等采用結(jié)合離子注入與物理或化學(xué)沉積法的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種新型制備技術(shù)——離子束增強(qiáng)沉積法,成功地合成了大面積均勻優(yōu)質(zhì)的非晶AlN薄膜。2.1增強(qiáng)金屬離子檢測(cè)化學(xué)氣相沉積法(CVD)是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)沉積物的過(guò)程。化學(xué)氣相沉積法制備的AlN薄膜具有以下特點(diǎn):能在較低的溫度下制備,所得的薄膜一般純度高、致密,而且很容易形成結(jié)晶定向好的晶體。主要缺點(diǎn)是,需要在高溫下反應(yīng),基片溫度高,沉積速率較低,一般每小時(shí)只能生產(chǎn)幾微米到幾百微米,而且設(shè)備較為復(fù)雜,基體難于進(jìn)行局部沉積,以及參加沉積反應(yīng)的源和反應(yīng)后的余氣都有一定的毒性等,因此它的應(yīng)用不如濺射鍍膜廣泛。秦福文等采用電子回旋共振等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù),在α-Al2O3(0001)(藍(lán)寶石)襯底上分別以高純氮?dú)?N2)和三甲基鋁(TMAl)為氮源和鋁源低溫生長(zhǎng)了氮化鋁薄膜。研究還表明,用這種方法在GaN緩沖層上能低溫生長(zhǎng)出c軸取向的AlN單晶薄膜。2.2射頻磁控水質(zhì)薄膜磁控反應(yīng)濺射綜合了磁控濺射和反應(yīng)濺射的優(yōu)點(diǎn),具有低溫、高速的特點(diǎn),可制備出內(nèi)應(yīng)力小和結(jié)構(gòu)致密的AlN薄膜。目前,磁控濺射已成為應(yīng)用最廣泛的一種濺射沉積方法,其沉積速率可以比其它濺射方法高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。制備AlN薄膜時(shí),因?yàn)闊艫lN靶體比較困難,而且用這種靶材沉積的薄膜往往會(huì)出現(xiàn)氮含量偏低的情況,所以現(xiàn)在普遍采用反應(yīng)濺射,以金屬鋁為靶,充入一定量的氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體來(lái)解決單純用磁控濺射法出現(xiàn)的問(wèn)題。盡管使用濺射的方法得到的薄膜多為多晶甚至非晶,但是該方法簡(jiǎn)單易行且成本較低,是最常見的生長(zhǎng)AlN薄膜的技術(shù)。目前用射頻磁控濺射技術(shù)已經(jīng)能成功制備出c軸取向的AlN薄膜。喬保衛(wèi)等采用射頻磁控反應(yīng)濺射法研究了工藝參數(shù)對(duì)AlN薄膜沉積速率的影響。研究表明,隨著N2氣流量的增加,靶面濺射由金屬態(tài)過(guò)渡到氮化態(tài),沉積速率隨之明顯降低;沉積速率隨射頻功率的增大幾乎呈線性增大,隨靶基距的增大而減小;隨著濺射氣壓的增大,沉積速率不斷增大,但在一定氣壓下達(dá)到最大值后,又隨氣壓增大而減小。3作為gan、in、吉赫級(jí)聲表面波材料的催化劑近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)氮化鋁薄膜的最新研究工作主要集中于其作為GaN和InN等材料外延緩沖層、材料的絕緣埋層和吉赫茲級(jí)聲表面波器件的壓電薄膜這3個(gè)新穎并具競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用方向。3.1增強(qiáng)gan薄膜的光學(xué)性能作為第三代半導(dǎo)體材料體系,ⅢA族氮化物禁帶寬度相應(yīng)于覆蓋光譜中整個(gè)紅外到可見光及紫外光的范圍。如此寬的連續(xù)可調(diào)的直接帶隙是其它材料體系所不能比擬的,加之發(fā)光效率高、電子漂移飽和速率高等特點(diǎn),使其在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和紫外探測(cè)器等光電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。而GaN和InN都是目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。由于與藍(lán)寶石、硅晶格失配過(guò)大,直接在這兩種襯底上生長(zhǎng)的GaN和InN薄膜質(zhì)量較差,光電學(xué)性能也不好,很難達(dá)到器件工藝要求。用AlN作為緩沖層能顯著提高GaN外延薄膜的質(zhì)量,明顯改善電學(xué)和光學(xué)性能。B.S.Simpkins等研究了用分子束外延制備的GaxAl1-xN/GaN外延層中螺紋位錯(cuò)的空間分布與電學(xué)特性的關(guān)系。研究表明,直接在SiC上生長(zhǎng)GaN會(huì)導(dǎo)致晶核形成的島邊緣出現(xiàn)負(fù)電荷位錯(cuò)的團(tuán)聚,而以AlN為緩沖層生長(zhǎng)GaN,負(fù)電荷位錯(cuò)會(huì)隨機(jī)分布。他們通過(guò)各種測(cè)試和數(shù)字模擬分析認(rèn)為這種位錯(cuò)的團(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致肖特基二極管中反偏漏電流過(guò)大,而異質(zhì)結(jié)構(gòu)能有效抑制這種機(jī)制,從而有效地抑制漏電流。J.C.Zhang等采用三維X射線衍射(XRD)和激光測(cè)量法測(cè)量螺紋位錯(cuò)和邊緣位錯(cuò)密度,發(fā)現(xiàn)緩沖層厚度是影響GaN外延層質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明緩沖層的厚度對(duì)邊緣位錯(cuò)的影響更大,而邊緣位錯(cuò)很可能是黃色波段的主要來(lái)源。而C.L.Wu等以AlN為緩沖層淀積InN,研究表明,增加緩沖層的厚度可以提高電子移動(dòng)速率,降低n型載流子在InN外延層中的含量。但他們并沒有詳細(xì)分析AlN薄膜厚度變化引起這種現(xiàn)象的原因。3.2采用aln為a、sio的直接自動(dòng)擋墻當(dāng)今微電子技術(shù)領(lǐng)域,絕緣層上硅(SOI)材料因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)而備受青睞。絕緣埋層的存在實(shí)現(xiàn)了器件制作層(頂層Si)與襯底的電學(xué)隔離,而且使各單元器件的隔離在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),且隔離效果優(yōu)異,這大大降低了傳統(tǒng)體硅器件中影響器件速度性能的各種寄生效應(yīng),因而被廣泛應(yīng)用于高速、低耗、高密集成電路。然而,傳統(tǒng)SOI材料通常采用SiO2作為絕緣埋層,而SiO2的熱導(dǎo)率較低,導(dǎo)致了嚴(yán)重的自加熱效應(yīng),阻礙了傳統(tǒng)SOI材料在高密高功率集成電路中的應(yīng)用。而AlN的熱導(dǎo)率約是SiO2的200倍,且具有良好的絕緣性,與Si的熱膨脹系數(shù)相匹配,這使以AlN為絕緣埋層的SOI結(jié)構(gòu)更為誘人。目前,很多科研機(jī)構(gòu)期望用AlN代替SiO2用于SOI材料的絕緣埋層。Z.R.Song等采用軟件ANSYSv6.1分別對(duì)AlN和SiO2在SOI器件中產(chǎn)生的自熱效應(yīng)進(jìn)行模擬,研究表明所制備的AlN薄膜有極好的絕緣特性和優(yōu)于SiO2的熱導(dǎo)率,很適合用作SOI結(jié)構(gòu)的絕緣埋層。為了制備以AlN為絕緣埋層的SOI結(jié)構(gòu),獲得大面積均勻的優(yōu)質(zhì)氮化鋁絕緣膜,中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的門傳玲等進(jìn)行了大量的研究。他們采用離子束增強(qiáng)沉積法(BED)成功地在Si(100)襯底上合成了大面積均勻的非晶AlN薄膜,其表面微粗糙度僅為0.13nm,分析表明薄膜的N/Al比為0.402∶1,表面電阻高達(dá)108Ω。并據(jù)最新文獻(xiàn)報(bào)道,他們首次采用智能剝離技術(shù)(Smart-cutprocess)成功地實(shí)現(xiàn)了室溫下AlN與注氫硅片的直接鍵合,形成了以AlN薄膜為埋層的SOI結(jié)構(gòu),即AlN上的硅結(jié)構(gòu)(SOAN)。經(jīng)過(guò)多種測(cè)試,表明形成的SOAN結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出類似于SOI結(jié)構(gòu)的較好的電學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。3.3襯底溫度對(duì)aln薄膜晶面取向的影響近10年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)AlN薄膜的研究主要集中在壓電材料領(lǐng)域。AlN是作為吉赫茲級(jí)聲表面波器件壓電薄膜的優(yōu)選材料,特別適合于制作聲波傳感器、吉赫茲頻帶SAW器件和BAW器件。當(dāng)應(yīng)用于聲表面波器件時(shí),AlN的晶體結(jié)構(gòu)和晶格取向顯著影響其聲學(xué)及其他物理性能,因而,國(guó)內(nèi)外許多科研小組都把研究重心放在控制AlN薄膜的擇優(yōu)生長(zhǎng)過(guò)程上。許小紅等采用直流磁控反應(yīng)濺射的方法,在Si(111)片上成功地制備了(100)面擇優(yōu)取向的AlN薄膜。用X射線衍射的方法研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜晶面取向的影響。結(jié)果表明,工作氣體總壓、氮?dú)夥謮?、靶功率以及靶基距等?shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜晶面取向、結(jié)晶狀況、沉積速率和晶粒尺寸有較大的影響。他們還發(fā)現(xiàn)不同種類的基片對(duì)薄膜的擇優(yōu)取向有較大影響,在金屬電極和Si片上沉積的AlN薄膜的結(jié)晶性、取向性、衍射強(qiáng)度均優(yōu)于在蓋玻片上沉積的AlN薄膜,為進(jìn)一步制備高質(zhì)量擇優(yōu)取向的AlN薄膜奠定了基礎(chǔ)。王忠良等研究發(fā)現(xiàn),采用反應(yīng)磁控濺射法在Si(111)襯底上沉積AlN薄膜,在5種襯底溫度下,AlN均以(100)面取向,襯底溫度的升高有利于薄膜結(jié)晶性的改善,在600℃以上時(shí)AlN中Al-N鍵斷裂,僅出現(xiàn)(100)衍射峰,在600℃時(shí)平均晶粒尺寸為90nm,z軸最高突起僅為23nm。結(jié)果表明襯底溫度對(duì)AlN薄膜的擇優(yōu)取向有較大的影響。另外,瑞士、意大利等的科研團(tuán)體也進(jìn)行了類似的研究,其中意大利的M.Benetti等用磁控濺射法在鉆石襯底上淀積AlN薄膜,得到了表面十分光滑的樣品,并發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)襯底溫度高于300℃才能得到沿c軸的擇優(yōu)取向薄膜,而且隨溫度的升高出現(xiàn)了(002)面取向。4aln薄膜技術(shù)AlN的多種優(yōu)異性能決定了其多方面應(yīng)用,作為壓電薄膜,AlN已經(jīng)被廣泛應(yīng)用;作為電子器件和集成電路的封裝、介質(zhì)隔離和絕緣材料,有著重要的應(yīng)用前景;作為藍(lán)光、紫外發(fā)光材料也是目前的研究熱點(diǎn)。由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN薄膜具有高速率聲學(xué)波的壓電性質(zhì),其表面聲學(xué)波速達(dá)到6×105cm/s,在已知的壓電材料中是最高的,并有較大的機(jī)電耦合系數(shù)(約1%),因而在聲表面波裝置上具有重要的應(yīng)用前景。氮化鋁材料電子漂移飽和速率高、熱導(dǎo)率高、介質(zhì)擊穿強(qiáng)度高等優(yōu)異特性又使其在高頻、高溫、高壓電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力,所以氮化鋁是作為吉赫茲級(jí)聲表面波器件壓電薄膜的優(yōu)選材料,故可用于制作高頻(GHz)表面波器件,特別適合于制作聲波傳感器、吉赫茲頻帶SAW器件和BAW器件。研究發(fā)現(xiàn),AlN所具有的高聲波波速能提高濾波器工作的中心頻率,而且,AlN的低溫制備技術(shù)可以得到化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的薄膜,其機(jī)電耦合系數(shù)接近ZnO。Okano等已研制出諧振器型吉赫茲頻帶SAW濾波片,采用AlN壓電薄膜取代ZnO薄膜制作的SAW器件,其測(cè)試性能優(yōu)于相應(yīng)的ZnO薄膜SAW器件。AlN薄膜已成為發(fā)展?jié)摿艽?、?yīng)用前景很廣的一種高頻壓電薄膜。此外,AlN的制備和刻蝕過(guò)程均與CMOS工藝兼容,這就使得將MEMS器件和IC電路集成在同一芯片上變得更加容易。由于AlN薄膜具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電阻率、高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性和良好的機(jī)械性能,可將AlN薄膜用于電子器件和集成電路的封裝、介質(zhì)隔離和絕緣層中。研究表明,AlN作為介質(zhì)層表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性并具有很好的界面態(tài)。由于AlN薄膜的高熱導(dǎo)率,很多科研機(jī)構(gòu)都期望將來(lái)用AlN代替SiO2作為集成電路的柵介質(zhì)。然而,在目前的研究中,實(shí)驗(yàn)得到的AlN薄膜的介電常數(shù)與SiO2的相比還有待進(jìn)一步提高,否則使用AlN作為柵介質(zhì)層將沒有什么優(yōu)勢(shì)。近年來(lái),AlN作為緩沖層的應(yīng)用非常廣泛。由于AlN與GaN的晶格常數(shù)比較接近,外延生長(zhǎng)的AlN層常用作在藍(lán)寶石上二維生長(zhǎng)GaN層模板層,以減少因GaN與藍(lán)寶石襯底之間大的晶格失配而導(dǎo)致的應(yīng)變,因而能大大提高GaN器件的性能和使用壽命。AlN還易與GaN、SiC等重要發(fā)光材料形成固溶體或作為緩沖層外延高質(zhì)量的GaN和SiC薄膜,在此基礎(chǔ)上制備的GaN/GaxAl1-xN異質(zhì)結(jié)構(gòu)與SiC/AlN(SiCOI)具有更優(yōu)異的性能。AlN可用作藍(lán)光紫外發(fā)光材料,它的直接帶隙使得其在紫外光范圍具有透光窗口,如果進(jìn)行摻雜還可能得到在紫外光范圍內(nèi)發(fā)光的光電器件。AlN還能與GaN形成合金AlGaN,從而能夠制造出基于AlGaN/GaN的電子和光電學(xué)器件。這種器件在綠光波長(zhǎng)到紫外光波長(zhǎng)都有效,是十分誘人的。此外,氮化鋁薄膜具有較高的非線性光學(xué)極化效應(yīng),還能作為二階諧波發(fā)生器。作為磁光記錄表面材料增透膜,AlN薄膜具有致密(高折射率)、高穩(wěn)定性和抗蝕性以保護(hù)磁光薄膜中稀土元素不受氧化的特點(diǎn),它的高透過(guò)率、低消光系數(shù)、恰當(dāng)?shù)哪ず駥?duì)RE-TM磁光記錄材料進(jìn)行增透,增強(qiáng)了磁光克爾效應(yīng)。此外,它的表面還具有負(fù)電子親和勢(shì)特性(NEA),作為冷陰極材料也顯示出了誘人的應(yīng)用前景,已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。5薄膜制備工藝的研究電子薄膜制備技術(shù)是現(xiàn)代高速微電子、光電子和微波等先進(jìn)器件的核心技術(shù)之一。人們對(duì)氮化鋁薄膜的研究雖然已有數(shù)十年,但由于它的諸多優(yōu)異特性,是目前許多新型電子器件的優(yōu)選材料,對(duì)AlN電子薄膜的研究仍有大量工作要做。目前將氮化鋁薄膜作為新型半導(dǎo)體材料的研究報(bào)道較少,雖然AlN屬于第三代半導(dǎo)體材料,但國(guó)內(nèi)外對(duì)ⅢA族氮化物的研究仍主要集中在GaN和InN上,對(duì)AlN的研究?jī)H局限于作為它們的緩沖層和所形成異質(zhì)