基于界面缺陷应变工程的蓝宝石衬底高质量氮化铝薄膜生长及其真空紫外光电探测器应用

本文通过应变调控（抑制螺位错并引入刃位错）实现了蓝宝石衬底上高质量氮化铝（AlN）薄膜的MOCVD生长。经高温NH3处理溅射AlN种子层后，有效缓解了晶格与热失配，获得54 arcsec的X射线衍射半高宽（XRD FWHM）及近完全弛豫应变。所制备的深紫外光电探测器在185 nm光照下光暗电流比超103倍，且在液氮至200°C宽温范围内保持稳定成像能力，展现了AlN在极端环境光电器件中的巨大潜力。

　　

Highlight

通过抑制螺位错并引入刃位错进行应变调控，我们在蓝宝石衬底上成功实现了高质量氮化铝（AlN）薄膜的金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长。采用高温氨气（NH₃）处理预溅射的AlN种子层，有效缓解了AlN外延层与蓝宝石衬底间的晶格失配和热失配。通过大幅减少螺位错并保留一定密度的刃位错，层间应力得到有效调控，从而获得了高质量AlN薄膜。通过系统的X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Raman）分析，我们揭示了氨气处理诱导的界面键合构型关键转变及应力状态演化。优化工艺实现了显著的结构特性：X射线衍射摇摆曲线（XRC）测量显示面外方向半高宽（FWHM）为54弧秒，而面内测量表明应变近乎完全弛豫。值得注意的是，所得2英寸AlN薄膜呈现无裂纹表面且具有优异均匀性。基于AlN薄膜制备的深紫外光电探测器在185 nm光照下表现出超过3个数量级的显著光暗电流比。此外，该器件在从液氮条件至200°C的宽温范围内保持稳定运行并保留成像分辨率能力。

Introduction

过去几十年中，氮化铝（AlN）作为超宽带隙直接带隙半导体展现出卓越特性[[1], [2], [3]]。其优异稳定性、热导率、高电子饱和速度及极高击穿电场使其在现代电子学和光电子学领域取得显著成功，这主要归因于材料质量的提升[[4], [5], [6], [7]]。此外，在氮化物金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长过程中，高质量AlN是生长氮化镓（GaN）和氮化硼（BN）所需的缓冲层。由于低成本同质外延衬底难以获得，蓝宝石衬底已被广泛用于AlN薄膜生长[8,9]。然而，蓝宝石与AlN之间大的晶格失配（13.3%）和热膨胀系数差异（-44%）导致外延过程中产生巨大应力和极高位错密度[10,11]。如何减少异质外延AlN薄膜过程中的位错和应力一直是一个长期存在的问题，因为它们作为缺陷复合中心、电荷散射中心和漏电路径，严重限制了其在深紫外发光二极管、光电探测器和功率电子器件中的应用[1,12]。

为通过简单高效方法获得大尺寸AlN薄膜，多种方法和技术已被提出和发展。例如引入低温缓冲层、外延横向过生长、生长模式转变、溅射后高温热退火、脉冲氨气金属有机气相沉积（脉冲NH₃?MOCVD）和范德瓦尔斯外延等[[13], [14], [15], [16], [17], [18]]。尽管已实现螺位错密度的有效抑制，但在工艺复杂性、样品转移过程中的无意污染和成本控制方面仍存在不足。因此，进一步优化生长工艺或提出新策略以降低蓝宝石衬底上高质量AlN薄膜生长难度，仍是一个待探索的议题。

迄今为止，两步生长法在MOCVD GaN异质外延生长中已被验证为改善GaN质量的有效技术路线，其包括低温成核层和高温生长层[19]。同时，两步生长法在成本控制方面具有显著优势，在工业生产中得到高度认可[11]。两步生长法也已用于AlN薄膜的异质外延生长，但效果并不理想。主要原因是AlN分解温度高，且沉积过程中Al原子迁移率低，使得低温层生长后的高温生长过程中AlN岛的分解和再沉积几乎不可能[20]。这导致MOCVD生长AlN时难以实现从三维岛状生长向二维台阶流动模式的转变，从而使原始两步生长法中位错相互作用湮灭和应力释放的目的难以达成。最终导致薄膜表面出现裂纹、分解和高螺位错密度[21,22]。

本文针对蓝宝石衬底上生长AlN过程中遇到的晶格和热失配突出问题，采用MOCVD结合几种不同的衬底处理方法。通过这些方法，我们成功在蓝宝石衬底上获得了高质量AlN薄膜，其特征为极少裂纹和表面分解。与直接在蓝宝石衬底上生长AlN相比，经溅射薄层AlN并通过NH₃处理的样品具有最佳晶体质量，其(0002)面半高宽（FWHM）为54弧秒。通过X射线光电子能谱（XPS）、高分辨率X射线衍射（HRXRD）和拉曼光谱详细分析了该衬底处理条件下AlN生长过程中可能的应力控制行为。此外，制备了基于AlN薄膜的阵列金属-半导体-金属（MSM）结构深紫外光电探测器，并在真空和不同温度下验证了器件的探测和成像性能，探索了基于高质量AlN薄膜的深紫外光电探测器在极端环境中应用的可能性。

Experimental section

为系统研究不同衬底处理条件对AlN薄膜质量的影响，建立了几种不同的衬底处理方法。详细处理条件列于表1，包括无预处理的蓝宝石衬底（样品A）、溅射薄层AlN的蓝宝石衬底（样品B）、经NH₃处理的蓝宝石衬底（样品C）以及经NH₃处理溅射AlN层的蓝宝石衬底（样品D）。通过溅射在蓝宝石衬底上沉积了薄层AlN。

Result and discussion

首先，为探究不同衬底预处理条件下AlN外延层的表面形貌，对所有样品进行了扫描范围为5×5μm²的原子力显微镜（AFM）成像，如图1所示，其中(a-d)分别对应样品A-D。样品A-D的表面粗糙度分别为0.233 nm、0.266 nm、0.337 nm和0.223 nm，表明所有样品表面均呈现原子级光滑度。然而，在经高温处理的样品C和D中...

Conclusions

总之，一种蓝宝石衬底预处理方法通过减少生长过程中的层间应力，被证明是实现大面积高质量无裂纹AlN薄膜的有效途径。NH₃处理修复了溅射AlN层中的氮空位，形成近化学计量比的AlN终端表面，从而降低了异质外延势垒。经高温NH₃处理的溅射AlN衬底可有效减少AlN外延层与蓝宝石衬底间的晶格失配和应力。