用于氮化铝单晶生长的复合籽晶及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种用于氮化铝(AlN)单晶生长的籽晶及其制备方法。
背景技术
AlN是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，禁带宽度达到6.0eV，是制备深紫外器件和高压、大功率器件的理想基础材料，特别适合用来制作紫外激光器、紫外发光二极管以及日盲型紫外探测器。此外，AlN还具有热稳定性好，抗腐蚀能力强，击穿场强大等优点，可以制作高温高频电子器件。然而，目前高质量AlN单晶材料的短缺限制了相关高性能器件的研制，而AlN单晶材料的质量直接与AlN籽晶的质量密切相关。
目前，依托在相应尺寸的AlN籽晶上接长形成AlN单晶是AlN单晶的优选生长方式之一，主要的生长方法有自籽晶生长和异质籽晶生长两种技术途径。由于无法获得大尺寸、高质量的AlN籽晶，自籽晶生长方式被限制，在这种情况下，异质籽晶生长成为较好的选择。
为了制备晶片尺寸的AlN单晶，人们通常采用SiC晶体作为生长AlN单晶的基底。然而，用SiC作基底生长大尺寸的AlN单晶虽然有一定的优势，但也存在明显不足。如在生长AlN的高温环境下，SiC基底的分解严重，导致较高比例的Si和C原子耦合进入AlN晶格中，造成杂质污染。同时，Si和C原子易引起AlN单晶的杂质形核，并可能导致多晶AlN生长。为了抑制SiC的分解，人们发展了一种在SiC衬底上覆盖一层AlN薄膜的复合材料作为AlN单晶生长的籽晶。这层AlN薄膜不但可以阻止SiC基底在高温下热分解，还可以起到自籽晶生长的作用。然而由于AlN与4H-SiC在(0001)面的晶格常数失配度为1.2％，AlN与6H-SiC在(0001)面的晶格常数失配度为0.96％，热膨胀系数失配度达到4.28％，常常导致采用SiC-AlN复合籽晶生长的AlN单晶降温后产生裂纹(见phys.stat.sol.(c)2,2070–2073(2005)的文献报道)，致使采用SiC-AlN复合籽晶生长晶片尺寸的AlN单晶的成功率较低。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于氮化铝单晶生长的复合籽晶，包括SiC基片、所述SiC基片上的二维层状材料层以及所述二维层状材料层之上的氮化铝薄膜。
根据本发明的用于氮化铝单晶生长的复合籽晶，优选地，所述二维层状材料层为石墨烯层。
根据本发明的用于氮化铝单晶生长的复合籽晶，优选地，所述石墨烯层的厚度为1-10个原子层。
根据本发明的用于氮化铝单晶生长的复合籽晶，优选地，所述石墨烯层的厚度为4-6个原子层。
根据本发明的用于氮化铝单晶生长的复合籽晶，优选地，所述SiC基片为市售的SiC基片。
根据本发明的用于氮化铝单晶生长的复合籽晶，优选地，所述氮化铝薄膜的厚度为50nm～1000nm。
本发明还提供了一种用于氮化铝单晶生长的复合籽晶的制备方法，包括在SiC基片上制备二维层状材料的步骤和在所述二维层状材料层上制备氮化铝薄膜的步骤。
根据本发明的用于氮化铝单晶生长的复合籽晶的制备方法，优选地，所述二维层状材料层为石墨烯层。
根据本发明的用于氮化铝单晶生长的复合籽晶的制备方法，优选地，采用热解SiC方法外延生长石墨烯。
与现有技术相比，本发明克服了AlN单晶与异质籽晶SiC之间由于晶格失配和热膨胀系数失配等问题导致生长晶体产生裂纹的弊端，在SiC晶体和AlN薄膜之间增加一层几个原子层厚的二维材料，特别是石墨烯材料，不仅可以保持AlN薄膜在SiC基底上的外延属性，还可以在AlN生长结束降温过程中，利用石墨烯材料易于发生层间滑移的特点，最大程度缓解和释放AlN与SiC之间的晶格失配和热膨胀失配，使得在这种由三种材料组成的复合材料籽晶上生长的AlN单晶可以缓解或避免晶体开裂的问题，并由此可以获得晶片尺寸的高质量AlN单晶。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的用于AlN单晶生长的复合籽晶的截面示意图；以及
图2为根据本发明的用于AlN单晶生长的复合籽晶制备流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
该实施例提供一种用于AlN单晶生长的复合籽晶及其制备方法。参见图1所示的复合籽晶的截面示意图，该实施例的复合籽晶包括尺寸为2英寸的(0001)晶向的4H-SiC基片、4H-SiC基片之上的厚度为2-3个原子层的石墨烯和石墨烯之上的厚度为1000nm的AlN层。
石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角蜂窝状二维原子晶体，具有和纤锌矿AlN相似的结构。石墨烯具有很好的导热性、良好的机械强度、优异的导电性以及极高的化学稳定性。石墨烯薄膜(1-10个原子层厚)是层状结构材料，其原子层间的范德瓦尔斯相互作用力较弱。将石墨烯放入SiC和AlN之间，可以有效释放SiC与AlN之间的晶格应力和热应力，最大程度缓解AlN与SiC之间的晶格失配和热膨胀失配，解决复合籽晶上AlN单晶的开裂问题，由此可以获得晶片尺寸的高质量AlN单晶。
该实施例的复合籽晶的制备方法包括如下步骤，参考图2所示的复合籽晶的制备流程图：
(1)依次使用丙酮、酒精、去离子水对(0001)晶向的2英寸4H-SiC晶片各超声5分钟，再用氮气吹干；
(2)将清洗后的4H-SiC晶片放入高温生长炉中，在氢氩混合气的气氛中将系统升温至1400℃，对4H-SiC表面进行刻蚀，然后升温至1500℃，抽真空15分钟，使系统压强为100Pa开始生长石墨烯，生长时间为25分钟，然后降温，并向系统充入氩气到大气压强，从生长系统中取出SiC基片，得到厚度为2-3个原子层的高质量石墨烯；
(3)将上述生长了石墨烯的4H-SiC晶片放入：金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统的生长室内，加热至1200℃，通入三甲基铝的流量为60sccm，氨气的流量为800sccm，保持生长室的压强为50torr，使用N2作为载气，沉积3小时，最终在石墨烯上沉积了厚度为1μm的AlN层，得到SiC-石墨烯-AlN复合籽晶。
当使用该实施例制备的SiC-石墨烯-AlN复合籽晶生长AlN单晶时，石墨烯材料易于发生层间滑移的特点会缓解和释放在AlN单晶生长结束降温过程中AlN与SiC之间的晶格失配和热失配，减轻或避免AlN晶体的开裂问题。
第二实施例
该实施例提供另一种用于AlN单晶生长的复合籽晶及其制备方法。同样参见图1所示的复合籽晶的截面示意图，该实施例的复合籽晶包括尺寸为2英寸的(0001)晶向的4H-SiC基片、4H-SiC基片之上的厚度为3-5个原子层的石墨烯和石墨烯之上的厚度为50nm的AlN层。
将二维层状结构的石墨烯插入SiC和AlN之间，可以有效释放SiC与AlN之间的晶格应力和热应力，最大程度缓解AlN与SiC之间的晶格失配和热膨胀失配，解决复合籽晶上AlN单晶的开裂问题，由此可以获得晶片尺寸的高质量AlN单晶。
该实施例的复合籽晶的制备方法包括如下步骤：
(1)依次使用丙酮、酒精、去离子水对(0001)晶向的2英寸4H-SiC晶片各超声5分钟，再用氮气吹干；
(2)将清洗后的4H-SiC晶片放入高温生长炉中盛有SiC粉末的容器上方，使系统升温至1300℃，同成分刻蚀40分钟后降温，取出盛有SiC粉末的容器，同时得到具有规则台阶的SiC基片；然后将放有SiC基片的系统抽气并升温至1500℃，使系统压强为200Pa开始生长石墨烯，生长时间为30分钟，然后降温，并向系统充入氩气到大气压强，从生长系统中取出SiC基片，得到厚度为4-6个原子层的高质量石墨烯；
(3)将外延生长了石墨烯的4H-SiC基片放入磁控溅射生长室，加热至500℃，通入N2和Ar的混合气(比例为3：7)，工作气压控制在1Pa，衬底偏压为-70V，溅射功率为400W，沉积1.5小时，最终在石墨烯上沉积厚度为400nm的AlN层，得到SiC-石墨烯-AlN复合籽晶。
当使用该实施例制备的SiC-石墨烯-AlN复合籽晶生长AlN单晶时，石墨烯材料易于发生层间滑移的特点会缓解和释放在AlN单晶生长结束降温过程中AlN与SiC之间的晶格失配和热失配，减轻或避免AlN晶体的开裂问题。
第三实施例
该实施例提供又一种用于AlN单晶生长的复合籽晶及其制备方法。同样参见图1所示的复合籽晶的截面示意图，该实施例的复合籽晶包括尺寸为2英寸的(0001)晶向的6H-SiC基片、6H-SiC基片之上的厚度为3-5个原子层的石墨烯和石墨烯之上的厚度为600nm的AlN层。
将二维层状结构的石墨烯插入SiC和AlN之间，可以有效释放SiC与AlN之间的晶格应力和热应力，最大程度缓解AlN与SiC之间的晶格失配和热膨胀失配，解决复合籽晶上AlN单晶的开裂问题，由此可以获得晶片尺寸的高质量AlN单晶。
该实施例的复合籽晶的制备方法包括如下步骤：
(1)依次使用丙酮、酒精、去离子水对(0001)晶向的2英寸6H-SiC晶片各超声5分钟，再用氮气吹干；
(2)将清洗后的6H-SiC晶片放入高温生长炉中盛有SiC粉末的容器上方，使系统升温至1300℃，同成分刻蚀40分钟后降温，取出盛有SiC粉末的容器，同时得到具有规则台阶的SiC基片；然后将放有SiC基片的系统抽气并升温至1500℃，使系统压强为200Pa开始生长石墨烯，生长时间为28分钟，然后降温，并向系统充入氩气到大气压强，从生长系统中取出SiC基片，得到厚度为3-5个原子层的高质量石墨烯；
(3)将外延生长了石墨烯的6H-SiC基片放入MOCVD系统的生长室，加热至1300℃，通入三甲基铝的流量为50sccm，氨气的流量为800sccm，保持生长室的压强为50torr，使用N2作为载气，沉积2小时，最终在石墨烯上沉积厚度为600nm的AlN层，得到SiC-石墨烯-AlN复合籽晶。
当使用该实施例制备的SiC-石墨烯-AlN复合籽晶生长AlN单晶时，石墨烯材料易于发生层间滑移的特点会缓解和释放在AlN单晶生长结束降温过程中AlN与SiC之间的晶格失配和热失配，减轻或避免AlN晶体的开裂问题。
在前述具体实施例中，复合籽晶的制备步骤中的清洗和刻蚀是为了得到更高质量的石墨烯，因此并非必须的。
在本发明中，采用任意市售的SiC基片，而目前国际上通用的SiC基片的尺寸为2英寸～6英寸，这为大尺寸的AlN单晶的生长提供了可能性。本领域技术人员能够理解，随着SiC基片技术的发展，用本发明的方法制备的复合籽晶的质量也会相应地提高。
在本发明中，石墨烯具有层状结构、原子层之间范德瓦尔斯相互作用力较弱的特点，能够有效释放SiC和AlN之间的晶格应力和热应力，本发明采用的石墨烯具有1-10个原子层厚度，优选地，具有4-6个原子层厚度。另外，根据本发明的其他实施例，在SiC基片和AlN薄膜之间采用其他二维层状材料，例如MoS2、WS2，从而解决在复合籽晶上制备AlN单晶时，AlN单晶的开裂问题。
根据本发明的其他实施例，石墨烯的生长采用本领域公知的生长方法，包括热解SiC法。
根据本发明的其他实施例，复合籽晶中AlN薄膜的沉积采用分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等本领域公知的方法。原则上，AlN薄膜的厚度越薄越节约成本，但是太薄不利于后续的AlN单晶的生长。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
