Si(111)衬底上脉冲激光沉积AlN外延薄膜的界面反应控制及其机理

引言

通过有效控制AlN薄膜与Si衬底之间的界面反应，利用脉冲激光沉积（PLD）在Si衬底上生长高质量的AlN外延薄膜。英思特对PLD生长的AlN/Si异质界面的表面形貌、晶体质量和界面性能进行了系统研究。

我们研究发现，高温生长过程中形成非晶SiAlN界面层，这是由于高温生长过程中烧蚀AlN靶材时，衬底扩散的Si原子与脉冲激光产生的AlN等离子体之间发生了严重的界面反应所致。相反，通过在合适的生长温度下有效控制界面反应，可以实现突变且尖锐的AlN/Si异质界面。

因此英思特提出了通过PLD将界面层从非晶SiAlN层演变为突变且尖锐的AlN/Si异质界面的机制。通过PLD生长的AlN薄膜获得突变界面和平坦表面的工作对于高质量AlN基器件在Si衬底上的应用至关重要。

实验与讨论

使用H2SO4:H2O2:H2O(3:1:1)和缓冲氧化物蚀刻(BOE)HF(20:1)清洁收到的2英寸 Si(111) 基板以获得无氧化物且氢封端的Si表面。随后，将清洁后的Si（111）衬底在背景压力为1.0×10-8 Torr的超高真空（UHV）负载锁中脱气，然后 转移到背景压力为1.0×10-8Torr的生长室中。在外延生长之前，脱气后的Si(111)衬底在850℃下进行60分钟的退火，以去除残留的表面污染物，并为后续沉积获得原子级平坦的Si(111)表面。

在外延生长过程中，我们通过KrF准分子激光（λ= 248 nm，t= 20ns）烧蚀高纯度 AlN (4N)靶材，生长出厚度范围为~6–300nm的AlN薄膜。采用PLD法在Si(111)衬底上生长AlN薄膜示意图如图1所示。

图1：通过PLD在Si（111）衬底上的AlN薄膜的外延生长示意图

英思特采用RHEED测量来监测整个过程的生长过程。图2显示了在750℃下Si衬底上生长的AlN薄膜的照片，显示了在不同生长温度下生长的 AlN 薄膜的RHEED图案。很明显，在850℃退火60分钟后，可以在Si方向上识别出尖锐的条纹图案，这与退火工艺之前形成鲜明对比。随后，我们在退火后的Si衬底上生长AlN膜。在 850℃高温下生长约6nm厚的薄膜后，实验发现几乎无法识别 RHEED 图案，这表明发现了非常差的薄膜。这意味着生长出了表面相对粗糙的单晶AlN薄膜。如果在低温（800-700℃）下生长AlN薄膜，也可以获得单晶AlN薄膜。

图2

生长温度对 AlN 薄膜的结晶质量有重大影响。晶体生长温度的变化趋势与表面形貌的变化趋势非常一致。

结论

根据实验英思特提出了通过PLD将界面层从非晶SiAlN和层演化为突变且尖锐的 AlN/Si异质界面的机制。这项通过PLD生长的AlN薄膜获得突变界面和平坦表面的工作对于高质量AlN基器件在Si衬底上的应用具有重要意义。因此英思特提出了通过PLD将界面层从非晶SiAlN和层演化为突变且尖锐的AlN/Si异质界面的机制

审核编辑 黄宇