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氮化铝薄膜有何特殊之处?

发表时间:2021-09-01 10:02作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

随着半导体行业的发展,氮化铝作为半导体材料中的主要代表,其所展现出的优异的性能使得其受到极大的重视。由于氮化铝在自然与科技方面有着许多潜在的优良性能,氮化铝薄膜也因此备受现代科研工作者的青睐。


氮化铝薄膜的特性


氮化铝薄膜拥有诸多优异的物理化学性质,与其他半导体材料相比,在很多应用领域优势明显,下面是氮化铝薄膜的特性。


1、氮化铝薄膜原子间以共价键相结合,因此化学稳定性好、熔点高;


2、氮化铝薄膜机械强度高、电绝缘性能佳,是一种压电和介电材料;


3、氮化铝晶体薄膜硬度高,可作为耐磨涂层;




4、氮化铝薄膜的高电阻率、较低的漏电流以及较大的击穿场强,使得其成为微电子器件中绝缘埋层材料的最佳选择之一;


5、氮化铝薄膜的制备工艺与CNOS兼容,可以和其他器件集成到同一芯片上;


6、氮化铝薄膜具备非铁电材料中最好的声波传播速度,且拥有无与伦比的压电响应,可用于制作高性能的声表器件;


7、氮化铝薄膜是一种宽禁带材料,并具有直接带隙,是重要的蓝光和紫外发光材料;


8、沿c轴取向的具有非常好的压电性和声表面波高速传播性能,传声速度快,是所有无机非铁性压电材料中最高的。


表:氮化铝薄膜的性能参数

氮化铝薄膜的生长方法


目前,薄膜生长技术已经相当成熟,已经使用多种技术沉积制备出氮化铝薄膜。最常见的方法包括化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、离子束氮化、反应磁控溅射(RS)等等。


氮化铝薄膜有何特殊之处,如何制备,又有何妙用?


1、磁控溅射法


磁控溅射的原理是磁控溅射的过程中等离子体从目标靶材被注入到衬底上的过程。在溅射腔体内,如果被注入的材料与溅射气体发生反应,这一过程会非常的活跃。典型的溅射设备包括真空室、分子泵、机械泵、气体入口和阀门、溅射枪和功率电源等。磁控溅射生长的薄膜黏附性好,晶粒尺寸大小分布均匀。


2、脉冲激光沉积


脉冲激光沉积方法的优点之一,在于当聚集的高能量密度激光脉冲冲击靶材表面时,脉冲前部能量迅速气化剥离靶材表面,靶材气体吸收脉冲后部能量导致等离子体化而急剧膨胀飞行沉积于基体表面。由于飞行粒子携有巨大的动能,能够提供自身迁徙的需要,所以要求的基片温度较低,利于制备较理想的薄膜。但是过程中由于气化膨胀产生的反冲力对一部分熔融靶材的冲击,导致一些熔融的液滴溅射飞行沉积于基底,对膜的质量有一定的损害。


3、分子束外延


它是将真空蒸发镀膜加以改进和提高而形成的新的成膜技术。在超高真空环境下,通过薄膜诸组分元素的分子束流,直接喷到温度适宜的衬底表面上,在合适条件下就能沉积出所需的外延层。它的突出优点在于能生长极薄的单晶膜层,并且能精确地控制膜厚和组分与掺杂。适于制作微波、光电和多层结构器件,从而为制作集成光学和超大规模集成电路提供了有力手段。


4、化学气相沉积(CVD)


通常情况下,化学气相沉积法是用来获得各种涂层或者薄膜材料的技术手段,它的过程是在气相环境中,固体材料通过化学反应,沉积在活化的或者被加热的表面。对比溶胶-凝胶法、物理气相沉积法等其他涂层技术,CVD有诸多优点。第一,CVD是非视线涂层的方法,没有直接暴露在气流中的衬底也可以被涂覆,因为气流可以完全填充在这些区并包覆在衬底上。第二,沉积速率特别高,CVD可以适用于不同的微观结构,成分甚至是沉积样品的相的变化。


5、粒子注入法

粒子注入成膜法是用大量的离子注入基片成膜。当注入的氮气体离子浓度达到非常大,以至接近铝基片物质的原子密度时,由于受到铝基片物质本身固溶度的限制,将过剩的铝原子析出。这时注入离子将和铝基片原子发生化学反应,形成氮化铝薄膜。这种成膜方法可以在低温下进行,所成的薄膜质量很好。


氮化铝薄膜的应用


氮化铝薄膜性能的特殊性和优异性决定了其在多方面的应用。氮化铝薄膜已经被广泛应用作为电子器件和集成电路的封装中隔离介质和绝缘材料;作为工程LED中最为瞩目的蓝光、紫外发光材料,被人们大量的研究;氮化铝薄膜还是一种优秀的热释电材料;用于氮化嫁与碳化硅等材料外延生长的过渡层,SOI材料的绝缘埋层以及GHz级声表面波器件压电薄膜则是氮化铝薄膜今后具有竞争力的应用方向。


1、声表面波器件(SAW)用压电薄膜


SAW器件是利用材料的压电特性而制作的一类器件,包括滤波器和延迟线等,广泛用于通讯、广播、遥控和遥测等技术。SAW器件的中心频率取决于声表面波在压电薄膜上的传播速度和叉指电极宽度。目前,声表面波器件常用压电材料是ZnO、LiTaO3和LiNbO3,与它们相比,氮化铝沿c轴声表面波传播速度高达6-6.2km/s,这是压电材料中较高的,几乎是LiTaO3和LiNbO3的两倍。这样,采用氮化铝薄膜在不减小叉指电极宽度情况下,就可将中心频率提高一倍,达到当前通讯业发展所需要的GHz级。


2、氮化铝薄膜在声体波器件(FBAR)上的应用


我们知道,体声波发生在压电材料的内部。压电材料内部振动相对于外部而言可以承受更大的功率,这就决定了器件的耐受功率,这也是FBAR优于SAW器件的一点。另外FBAR还具有尺寸小、功耗低、Q值高、频带宽、抗干扰性强以及与CMOS兼容等优点。


3、SOI材料的绝缘埋层


SOI器件具有高速、工艺简单、低压、集成密度高、功耗小、寄生电容小、速度快、短沟道效应小及抗辐照等突出优点,是未来三维集成电路的关键技术基础,拥有“21世纪Si集成电路技术”的美誉。该技术也取代了传统的SiO2,并逐渐成为集成电路的绝缘和封装材料。


4、作为发光层材料


氮化铝薄膜同时拥有较高的薄膜透明度可以作为发光层材料,尤其是作为蓝紫光的发光材料。氮化铝可以作为高效紫外固体光原材料。氮化铝不仅可以作为蓝光紫外光的发光源材料,如果掺杂合理,它的还可以作为整个可见光区域的发光源材料。


5、单色冷阴极材料

由于氮化铝表面是一种负电子亲和表面材料,能在低温下发射电子。由此可以用作单色冷阴极,这种冷阴极源能够提高电子显微镜的分辨率,在真空电子学领域有许多用途。而且,在一电场中,电子可以容易地逃逸出表面,因此获得大的场发射电流密度。大的场发射电流密度可应用于非常薄的平板显示器即所谓场发射显示器和微真空管。因此氮化铝可用于场发射显示器和微真空管。


6、作为刀具涂层


由于氮化铝块体材料的硬度接近石英的硬度。氮化铝薄膜是一种硬质薄膜,因此,可以利用它做刀具涂层,提高刀具的强度。


7、其它应用


另外,氮化铝薄膜在光学膜、及散热装置中都有很好的应用前景。氮化铝薄膜也可用于制作压电材料、高导热率器件、声光器件、超紫外和X-ray探测器和真空集电极发射、MIS器件的介电材料、磁光记录介质的保护层。


GaN外延.jpg

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