aln薄膜材料在電子領域中的應用

aln薄膜材料在電子領域中的應用

0a族金屬薄膜的應用電子薄膜材料是電子技術和電子技術的基礎。因此，對各種新型電子膜材料的研究已成為許多科學研究人員的中心。AlN于19世紀60年代被人們發(fā)現,可作為電子薄膜材料,并具有廣泛的應用。近年來,以ⅢA族氮化物為代表的寬禁帶半導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體和以GaAs為代表的第二代半導體之后的第三代半導體。AlN作為典型的ⅢA族氮化物得到了越來越多國內外科研人員的重視。目前,各國競相投入大量的人力、物力對AlN薄膜進行研究工作。由于AlN有諸多優(yōu)異性能,帶隙寬、極化強,禁帶寬度為6.2eV,使其在機械、微電子、光學,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體器件等領域有著廣闊的應用前景。本文介紹了AlN薄膜的電學特性和制備方法,主要綜述了氮化鋁薄膜的應用及研究進展。1熱法優(yōu)勢特性氮化鋁(AlN)是Ⅲ-Ⅴ族化合物,一般以六方晶系中的纖鋅礦結構存在,有許多優(yōu)異的性能,諸如高的熱傳導性、低的熱膨脹系數、高的電絕緣性質、高的介質擊穿強度、優(yōu)異的機械強度、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和低毒害性、良好的光學性能等。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氣相沉積法(CVD)、等離子體輔助化學氣相沉積法(PACVD)、激光化學氣相沉積法(LCVD)、金屬有機化合物化學氣相沉積法(MOCVD)、反應分子束外延法(MBE)、脈沖激光沉積法(PLD)、離子注入法和磁控反應濺射法(MRS),其中化學氣相沉積法和磁控反應濺射法的應用更為廣泛。此外,還有很多新的制備技術正在研發(fā)中。太原理工大學的潘俊德等對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。門傳玲等采用結合離子注入與物理或化學沉積法的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新型制備技術——離子束增強沉積法,成功地合成了大面積均勻優(yōu)質的非晶AlN薄膜。2.1增強金屬離子檢測化學氣相沉積法(CVD)是利用氣態(tài)物質在固體表面發(fā)生化學反應而生成固態(tài)沉積物的過程?；瘜W氣相沉積法制備的AlN薄膜具有以下特點:能在較低的溫度下制備,所得的薄膜一般純度高、致密,而且很容易形成結晶定向好的晶體。主要缺點是,需要在高溫下反應,基片溫度高,沉積速率較低,一般每小時只能生產幾微米到幾百微米,而且設備較為復雜,基體難于進行局部沉積,以及參加沉積反應的源和反應后的余氣都有一定的毒性等,因此它的應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金屬有機物化學氣相沉積技術,在α-Al2O3(0001)(藍寶石)襯底上分別以高純氮氣(N2)和三甲基鋁(TMAl)為氮源和鋁源低溫生長了氮化鋁薄膜。研究還表明,用這種方法在GaN緩沖層上能低溫生長出c軸取向的AlN單晶薄膜。2.2射頻磁控水質薄膜磁控反應濺射綜合了磁控濺射和反應濺射的優(yōu)點,具有低溫、高速的特點,可制備出內應力小和結構致密的AlN薄膜。目前,磁控濺射已成為應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個數量級。制備AlN薄膜時,因為燒制AlN靶體比較困難,而且用這種靶材沉積的薄膜往往會出現氮含量偏低的情況,所以現在普遍采用反應濺射,以金屬鋁為靶,充入一定量的氮氣作為反應氣體來解決單純用磁控濺射法出現的問題。盡管使用濺射的方法得到的薄膜多為多晶甚至非晶,但是該方法簡單易行且成本較低,是最常見的生長AlN薄膜的技術。目前用射頻磁控濺射技術已經能成功制備出c軸取向的AlN薄膜。喬保衛(wèi)等采用射頻磁控反應濺射法研究了工藝參數對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,但在一定氣壓下達到最大值后,又隨氣壓增大而減小。3作為gan、in、吉赫級聲表面波材料的催化劑近年來,國內外對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聲表面波器件的壓電薄膜這3個新穎并具競爭力的應用方向。3.1增強gan薄膜的光學性能作為第三代半導體材料體系,ⅢA族氮化物禁帶寬度相應于覆蓋光譜中整個紅外到可見光及紫外光的范圍。如此寬的連續(xù)可調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,使其在短波長發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和紫外探測器等光電子器件領域有著巨大的應用潛力。而GaN和InN都是目前國際上研究的熱點。由于與藍寶石、硅晶格失配過大,直接在這兩種襯底上生長的GaN和InN薄膜質量較差,光電學性能也不好,很難達到器件工藝要求。用AlN作為緩沖層能顯著提高GaN外延薄膜的質量,明顯改善電學和光學性能。B.S.Simpkins等研究了用分子束外延制備的GaxAl1-xN/GaN外延層中螺紋位錯的空間分布與電學特性的關系。研究表明,直接在SiC上生長GaN會導致晶核形成的島邊緣出現負電荷位錯的團聚,而以AlN為緩沖層生長GaN,負電荷位錯會隨機分布。他們通過各種測試和數字模擬分析認為這種位錯的團聚會導致肖特基二極管中反偏漏電流過大,而異質結構能有效抑制這種機制,從而有效地抑制漏電流。J.C.Zhang等采用三維X射線衍射(XRD)和激光測量法測量螺紋位錯和邊緣位錯密度,發(fā)現緩沖層厚度是影響GaN外延層質量的關鍵參數。實驗結果表明緩沖層的厚度對邊緣位錯的影響更大,而邊緣位錯很可能是黃色波段的主要來源。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。但他們并沒有詳細分析AlN薄膜厚度變化引起這種現象的原因。3.2采用aln為a、sio的直接自動擋墻當今微電子技術領域,絕緣層上硅(SOI)材料因其獨特的性能優(yōu)勢而備受青睞。絕緣埋層的存在實現了器件制作層(頂層Si)與襯底的電學隔離,而且使各單元器件的隔離在工藝上更易于實現,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,因而被廣泛應用于高速、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的熱導率較低,導致了嚴重的自加熱效應,阻礙了傳統(tǒng)SOI材料在高密高功率集成電路中的應用。而AlN的熱導率約是SiO2的200倍,且具有良好的絕緣性,與Si的熱膨脹系數相匹配,這使以AlN為絕緣埋層的SOI結構更為誘人。目前,很多科研機構期望用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AlN和SiO2在SOI器件中產生的自熱效應進行模擬,研究表明所制備的AlN薄膜有極好的絕緣特性和優(yōu)于SiO2的熱導率,很適合用作SOI結構的絕緣埋層。為了制備以AlN為絕緣埋層的SOI結構,獲得大面積均勻的優(yōu)質氮化鋁絕緣膜,中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的門傳玲等進行了大量的研究。他們采用離子束增強沉積法(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108Ω。并據最新文獻報道,他們首次采用智能剝離技術(Smart-cutprocess)成功地實現了室溫下AlN與注氫硅片的直接鍵合,形成了以AlN薄膜為埋層的SOI結構,即AlN上的硅結構(SOAN)。經過多種測試,表明形成的SOAN結構呈現出類似于SOI結構的較好的電學和結構性質。3.3襯底溫度對aln薄膜晶面取向的影響近10年來,國內外對AlN薄膜的研究主要集中在壓電材料領域。AlN是作為吉赫茲級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。當應用于聲表面波器件時,AlN的晶體結構和晶格取向顯著影響其聲學及其他物理性能,因而,國內外許多科研小組都把研究重心放在控制AlN薄膜的擇優(yōu)生長過程上。許小紅等采用直流磁控反應濺射的方法,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驗參數對薄膜晶面取向的影響。結果表明,工作氣體總壓、氮氣分壓、靶功率以及靶基距等實驗參數對薄膜晶面取向、結晶狀況、沉積速率和晶粒尺寸有較大的影響。他們還發(fā)現不同種類的基片對薄膜的擇優(yōu)取向有較大影響,在金屬電極和Si片上沉積的AlN薄膜的結晶性、取向性、衍射強度均優(yōu)于在蓋玻片上沉積的AlN薄膜,為進一步制備高質量擇優(yōu)取向的AlN薄膜奠定了基礎。王忠良等研究發(fā)現,采用反應磁控濺射法在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晶性的改善,在600℃以上時AlN中Al-N鍵斷裂,僅出現(100)衍射峰,在600℃時平均晶粒尺寸為90nm,z軸最高突起僅為23nm。結果表明襯底溫度對AlN薄膜的擇優(yōu)取向有較大的影響。另外,瑞士、意大利等的科研團體也進行了類似的研究,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)現僅當襯底溫度高于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了(002)面取向。4aln薄膜技術AlN的多種優(yōu)異性能決定了其多方面應用,作為壓電薄膜,AlN已經被廣泛應用;作為電子器件和集成電路的封裝、介質隔離和絕緣材料,有著重要的應用前景;作為藍光、紫外發(fā)光材料也是目前的研究熱點。由于纖鋅礦結構的AlN薄膜具有高速率聲學波的壓電性質,其表面聲學波速達到6×105cm/s,在已知的壓電材料中是最高的,并有較大的機電耦合系數(約1%),因而在聲表面波裝置上具有重要的應用前景。氮化鋁材料電子漂移飽和速率高、熱導率高、介質擊穿強度高等優(yōu)異特性又使其在高頻、高溫、高壓電子器件領域有著巨大的應用潛力,所以氮化鋁是作為吉赫茲級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,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的低溫制備技術可以得到化學性質穩(wěn)定的薄膜,其機電耦合系數接近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,其測試性能優(yōu)于相應的ZnO薄膜SAW器件。AlN薄膜已成為發(fā)展?jié)摿艽?、應用前景很廣的一種高頻壓電薄膜。此外,AlN的制備和刻蝕過程均與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薄膜具有高擊穿場強、高電阻率、高熱導率、高化學穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性和良好的機械性能,可將AlN薄膜用于電子器件和集成電路的封裝、介質隔離和絕緣層中。研究表明,AlN作為介質層表現出了很好的穩(wěn)定性并具有很好的界面態(tài)。由于AlN薄膜的高熱導率,很多科研機構都期望將來用AlN代替SiO2作為集成電路的柵介質。然而,在目前的研究中,實驗得到的AlN薄膜的介電常數與SiO2的相比還有待進一步提高,否則使用AlN作為柵介質層將沒有什么優(yōu)勢。近年來,AlN作為緩沖層的應用非常廣泛。由于AlN與GaN的晶格常數比較接近,外延生長的AlN層常用作在藍寶石上二維生長GaN層模板層,以減少因GaN與藍寶石襯底之間大的晶格失配而導致的應變,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量的GaN和SiC薄膜,在此基礎上制備的GaN/GaxAl1-xN異質結構與SiC/AlN(SiCOI)具有更優(yōu)異的性能。AlN可用作藍光紫外發(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,如果進行摻雜還可能得到在紫外光范圍內發(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的電子和光電學器件。這種器件在綠光波長到紫外光波長都有效,是十分誘人的。此外,氮化鋁薄膜具有較高的非線性光學極化效應,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磁光薄膜中稀土元素不受氧化的特點,它的高透過率、低消光系數、恰當的膜厚對RE-TM磁光記錄材料進行增透,增強了磁光克爾效應。此外,它的表面還具有負電子親和勢特性(NEA),作為冷陰極材料也顯示出了誘人的應用前景,已成為該領域的研究熱點。5薄膜制備工藝的研究電子薄膜制備技術是現代高速微電子、光電子和微波等先進器件的核心技術之一。人們對氮化鋁薄膜的研究雖然已有數十年,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體材料的研究報道較少,雖然AlN屬于第三代半導體材料,但國內外對ⅢA族氮化物的研究仍主要集中在GaN和InN上,對AlN的研究僅局限于作為它們的緩沖層和所形成異質