Si(111)襯底上脈沖激光沉積AlN外延薄膜的界面反應(yīng)控制及其機(jī)理

引言

通過(guò)有效控制AlN薄膜與Si襯底之間的界面反應(yīng)，利用脈沖激光沉積（PLD）在Si襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的AlN外延薄膜。英思特對(duì)PLD生長(zhǎng)的AlN/Si異質(zhì)界面的表面形貌、晶體質(zhì)量和界面性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

我們研究發(fā)現(xiàn)，高溫生長(zhǎng)過(guò)程中形成非晶SiAlN界面層，這是由于高溫生長(zhǎng)過(guò)程中燒蝕AlN靶材時(shí)，襯底擴(kuò)散的Si原子與脈沖激光產(chǎn)生的AlN等離子體之間發(fā)生了嚴(yán)重的界面反應(yīng)所致。相反，通過(guò)在合適的生長(zhǎng)溫度下有效控制界面反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)突變且尖銳的AlN/Si異質(zhì)界面。

因此英思特提出了通過(guò)PLD將界面層從非晶SiAlN層演變?yōu)橥蛔兦壹怃J的AlN/Si異質(zhì)界面的機(jī)制。通過(guò)PLD生長(zhǎng)的AlN薄膜獲得突變界面和平坦表面的工作對(duì)于高質(zhì)量AlN基器件在Si襯底上的應(yīng)用至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)與討論

使用H2SO4:H2O2:H2O(3:1:1)和緩沖氧化物蝕刻(BOE)HF(20:1)清潔收到的2英寸 Si(111) 基板以獲得無(wú)氧化物且氫封端的Si表面。隨后，將清潔后的Si（111）襯底在背景壓力為1.0×10-8 Torr的超高真空（UHV）負(fù)載鎖中脫氣，然后?轉(zhuǎn)移到背景壓力為1.0×10-8Torr的生長(zhǎng)室中。在外延生長(zhǎng)之前，脫氣后的Si(111)襯底在850℃下進(jìn)行60分鐘的退火，以去除殘留的表面污染物，并為后續(xù)沉積獲得原子級(jí)平坦的Si(111)表面。

在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，我們通過(guò)KrF準(zhǔn)分子激光（λ= 248 nm，t= 20ns）燒蝕高純度 AlN (4N)靶材，生長(zhǎng)出厚度范圍為~6–300nm的AlN薄膜。采用PLD法在Si(111)襯底上生長(zhǎng)AlN薄膜示意圖如圖1所示。

圖1：通過(guò)PLD在Si（111）襯底上的AlN薄膜的外延生長(zhǎng)示意圖

英思特采用RHEED測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)整個(gè)過(guò)程的生長(zhǎng)過(guò)程。圖2顯示了在750℃下Si襯底上生長(zhǎng)的AlN薄膜的照片，顯示了在不同生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)的 AlN 薄膜的RHEED圖案。很明顯，在850℃退火60分鐘后，可以在Si方向上識(shí)別出尖銳的條紋圖案，這與退火工藝之前形成鮮明對(duì)比。隨后，我們?cè)谕嘶鸷蟮腟i襯底上生長(zhǎng)AlN膜。在 850℃高溫下生長(zhǎng)約6nm厚的薄膜后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)幾乎無(wú)法識(shí)別 RHEED 圖案，這表明發(fā)現(xiàn)了非常差的薄膜。這意味著生長(zhǎng)出了表面相對(duì)粗糙的單晶AlN薄膜。如果在低溫（800-700℃）下生長(zhǎng)AlN薄膜，也可以獲得單晶AlN薄膜。

圖2

生長(zhǎng)溫度對(duì) AlN 薄膜的結(jié)晶質(zhì)量有重大影響。晶體生長(zhǎng)溫度的變化趨勢(shì)與表面形貌的變化趨勢(shì)非常一致。

結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)英思特提出了通過(guò)PLD將界面層從非晶SiAlN和層演化為突變且尖銳的 AlN/Si異質(zhì)界面的機(jī)制。這項(xiàng)通過(guò)PLD生長(zhǎng)的AlN薄膜獲得突變界面和平坦表面的工作對(duì)于高質(zhì)量AlN基器件在Si襯底上的應(yīng)用具有重要意義。因此英思特提出了通過(guò)PLD將界面層從非晶SiAlN和層演化為突變且尖銳的AlN/Si異質(zhì)界面的機(jī)制

審核編輯 黃宇