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
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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
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