一种在金刚石单晶衬底上外延生长高质量氮化铝薄膜的制备方法与流程

本发明涉及半导体材料制备领域，具体涉及一种利用磁控溅射技术在单晶金刚石衬底上生长高质量氮化铝（aln）薄膜的方法。本发明方法所制备的aln薄膜适用于超宽禁带半导体异质结构、高功率电子器件、光电子器件、压电/声学器件及量子器件平台。

背景技术：

1、氮化铝（aln）是一种超宽禁带（～6.2 ev）半导体材料，具有高击穿场强和优良的压电性能，在功率电子、深紫外光电子以及声学器件领域具有重要应用前景。当前，氮化镓高电子迁移率晶体管（gan hemt）是5g/6g通信系统中射频前端的核心元件，碳化硅（sic）凭借其较高的热导率（～490 w·m-1·k-1）和与gan相近的晶格匹配度，成为高功率、高频率gan hemt的理想衬底，aln在此常作为提升gan外延质量的成核层或缓冲层来使用。然而，随着5g/6g通信向毫米波频段（>10 ghz）演进，以及高功率密度射频器件对热管理提出更高要求，传统衬底逐渐显现出局限性，其核心瓶颈在于热积累导致的性能退化。gan基hemt在高功率工作下会产生显著的自热效应，即便当下使用的sic衬底，其散热能力也日趋捉襟见肘，难以有效疏导沟道热量。这导致器件沟道温度急剧攀升，进而引发载流子迁移率退化、阈值电压漂移、可靠性下降，甚至发生热击穿，严重制约了器件的工程应用与性能发挥。

2、在此背景下，金刚石衬底因其无与伦比的热物理特性成为高功率射频器件高效热管理的理想解决方案。金刚石在室温下的热导率高达2200 w·m-1·k-1，是铜的五倍以上，远超现有的半导体衬底。将aln集成于金刚石上，可构建高效的热耗散通道，显著降低器件的工作温度。然而，在单晶金刚石衬底上直接外延生长高质量aln薄膜面临多重技术瓶颈。首先，六方纤锌矿的（0001）面aln与立方相（111）面的金刚石之间存在约13%的晶格失配，极易在薄膜生长中引入高密度穿透位错和旋转畴。其次，机械抛光的金刚石表面通常残留一层由非晶碳和石墨态sp2碳组成的损伤层，且表面终端以氢终端（h-termination）为主，化学惰性强、疏水、活性成核位点稀少，导致aln倾向于三维岛状生长而非二维层状生长。此外，aln与金刚石之间的界面处容易形成包含非晶碳和氮化物的弱边界层，严重降低薄膜的附着强度和界面断裂韧性。目前已报道有多种在金刚石上沉积aln薄膜的方法，包括金属有机化学气相沉积（mocvd）、分子束外延（mbe）和磁控溅射（ms）。其中，射频磁控溅射因设备成本低、可大面积沉积、工艺兼容性好而最具工业化推广潜力。但常规溅射工艺受限于吸附原子表面迁移能不足，所制备的aln薄膜往往呈现多晶柱状结构、面内取向随机、晶界密度高，难以满足外延生长或高性能器件对晶体质量和表面平整度的严格要求。weippert等人（applied physics letters，第128卷，071906，2026年）通过溅射法在异质外延的金刚石（111）衬底上生长aln薄膜，测得该薄膜的（0002）摇摆曲线半高宽（fwhm）为3.58°；chen等人在多晶cvd金刚石（111）上溅射aln的（0002）fwhm为3.35°、表面粗糙度1.4 nm；即便在单晶金刚石（111）衬底上，vogg等人（journal of applied physics，第96卷，第895页，2004年）报道aln薄膜（0002）fwhm的最佳结果也仅为1.27°，且表面粗糙度高达6.2 nm。上述指标均远不能满足后续gan外延或压电器件制备对晶体取向和表面平整度的要求。为改善aln薄膜的结晶质量，现有技术中一种常见策略是采用沉积后退火处理。但aln的再结晶温度通常在1700℃以上，如此高的退火温度不仅显著增加工艺能耗和时间成本，还极易因热膨胀系数差异（aln：～4.2×10-6·k-1，金刚石：～1.0×10-6·k-1）在薄膜中引入严重热应力，导致薄膜开裂或界面剥离。因此，亟需一种无需高温后退火、在沉积态下即可获得高质量aln薄膜的制备方法。针对上述问题，本专利发明人已认识到衬底表面对aln成核质量的关键影响。氧终端（o-termination）的金刚石表面比氢终端表面更具极性和化学活性，能为到达的al和n物种提供更多的化学结合位点，从而有效提高成核密度并抑制三维岛状生长。同时，去除机械抛光引入的sp2非金刚石碳层，可减少生长面上的结构和化学不均匀性，避免非外延晶粒的优先成核。

3、综上，现有技术在金刚石衬底上沉积aln薄膜时，尚未能同时实现高c轴取向、低面内扭转、低表面粗糙度和低工艺成本的目标。本领域亟需一种通过优化的衬底预处理和溅射工艺组合，在沉积过程中直接在单晶金刚石（111）衬底上完成高质量aln薄膜生长的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中金刚石衬底上aln薄膜面内取向有序性低、结晶质量差及表面粗糙等问题，本发明提供了一种无需高温沉积后退火、在沉积后即可获得高质量aln外延薄膜的制备方法。该方法通过对单晶金刚石（111）衬底表面进行湿法化学清洗以去除表面非金刚石sp2碳并构建富氧极性终端，结合衬底高温退火以修复机械抛光引入的表面损伤层，从而为aln提供高密度、化学活性优异的成核界面。在此基础上，利用射频磁控溅射技术，在优化沉积条件下直接获得兼具高c轴取向、低面内扭转角（即对称（0002）与非对称（10-12）摇摆曲线半高宽均显著降低）以及原子级平整表面的aln薄膜。与现有技术相比，本发明完全规避了沉积后高温退火工艺，从根本上消除了因aln与金刚石热膨胀系数失配导致的热应力开裂风险，同时保留了物理气相沉积（pvd）技术相对于mocvd或mbe的低成本和可扩展性优势。

2、为实现上述目的，本发明提供了如权利要求1所述的方法，包括金刚石衬底的选取和表面处理、退火的工艺以及aln薄膜生长工艺。在本发明的优选实施方案中，所述方法采用湿法化学处理（用以去除表面非金刚石碳并形成含氧终端）与如下射频磁控溅射工艺参数的协同组合：衬底温度800～1200℃（优选900～1100℃）、射频功率100～300 w（优选150～250 w）、腔室生长压力1～30 mtorr（优选3～20 mtorr）。该组合可直接在沉积态下获得xrd摇摆曲线半高宽（fwhm）极低、具有明确面外取向关系（aln(0001)[10-10] // 金刚石(111)[1-10]）且表面rms粗糙度低于1.2 nm的aln薄膜。所述aln薄膜的厚度可根据溅射沉积时间灵活调节，其典型厚度范围为50 nm～2 μm，以满足不同器件层对薄膜厚度的差异化需求。

3、相较于现有技术，本发明实现了以下显著的有益效果：

4、1) 衬底预处理优势：两步顺序酸性氧化可完全去除表面sp2非金刚石碳，构建的含氧极性活性表面大幅提升aln初始成核密度，有效抑制三维岛状生长，并减少界面非晶杂相的形成；

5、2) 薄膜结晶性能显著提升：沉积后薄膜在不经任何后退火条件下，其对称（0002）与非对称（10-12）的xrd摇摆曲线半高宽不大于1.1°，最优样品(0002)半高宽低至0.77°，（10-12）半高宽低至0.84°，显著优于文献报道的最佳值；φ扫描六重对称峰证实薄膜与金刚石衬底具备严格的面内外延取向匹配；

6、3) 表面平整度优异：薄膜 rms 粗糙度不高于1.2 nm，最优样品仅为0.65 nm，远低于现有技术报道的6.2 nm，可直接用于后续 gan 外延或压电器件制备，无需额外平坦化工艺；

7、4) 工艺简单且适配量产：完全省去耗能极高的沉积后高温退火工序，大幅降低制备成本与热应力失效风险；同时，射频磁控溅射设备成本低、可大面积均匀沉积，相比mocvd、mbe具备显著的工业化规模生产优势；

8、5) 应用领域宽广：所制备的高质量aln/金刚石异质集成体系同时兼顾金刚石的超高热导率与aln的超宽禁带及压电特性，可广泛应用于高功率射频器件、深紫外光电器件、高频saw/baw滤波器、压电mems传感器以及量子传感平台等多类场景。