物理氣相傳輸法生長(zhǎng)氮化鋁晶體的機(jī)制研究.pdf

1、氮化鋁(AlN)是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，具有寬帶隙、高熔點(diǎn)、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高溫?zé)岱€(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性質(zhì)，主要應(yīng)用于發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、二次諧波發(fā)射器和表面聲波等器件中。物理氣相傳輸(PVT)法被公認(rèn)為是制備AlN晶體的有效手段之一，已被各科研機(jī)構(gòu)廣泛采用。目前，國(guó)際上采用PVT法已經(jīng)制備出了2英寸的AlN單晶片，然而，國(guó)內(nèi)在AlN晶體制備方面仍然處于起步階段，對(duì)于AlN晶體生長(zhǎng)機(jī)制、復(fù)合缺陷發(fā)光機(jī)制、

2、生長(zhǎng)習(xí)性和制備工藝等方面的認(rèn)知和掌握不夠。本研究探索了生長(zhǎng)工藝對(duì)AlN晶體生長(zhǎng)的影響，并針對(duì)AlN晶體生長(zhǎng)機(jī)制、復(fù)合缺陷發(fā)光機(jī)制和形核習(xí)性進(jìn)行研究，為AlN晶體生長(zhǎng)提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容包括：通過(guò)理論計(jì)算、模擬和實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)和優(yōu)化加熱體的形狀和結(jié)構(gòu)，探索適合AlN晶體生長(zhǎng)的工藝參數(shù)；考察在自發(fā)形核生長(zhǎng)AlN晶體過(guò)程中，低維結(jié)構(gòu)和體材料中生長(zhǎng)機(jī)制的共性，并研究了復(fù)合缺陷對(duì)晶體發(fā)光性質(zhì)的影響；研究鎢(W)、鉭(T

3、a)襯底對(duì)AlN晶體形核習(xí)性的影響，獲得制備AlN多晶錠的工藝參數(shù)，并對(duì)AlN晶體的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行初步表征。
　　研究了加熱體形狀、生長(zhǎng)溫度和生長(zhǎng)壓力(N2)對(duì)AlN晶體生長(zhǎng)的影響。研究結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)整復(fù)合式加熱體（即：在圓筒形加熱體內(nèi)部配置石墨環(huán)）中石墨環(huán)的位置，可以調(diào)控加熱體內(nèi)部的溫度分布，獲得晶體生長(zhǎng)的最佳溫度梯度；隨著生長(zhǎng)溫度從1800℃升高至2200℃，AlN晶體形貌逐漸從晶須向晶體轉(zhuǎn)變；晶體生長(zhǎng)速率隨著生長(zhǎng)氣壓的改變而

4、改變，當(dāng)生長(zhǎng)氣壓為6.0×104Pa時(shí)晶體生長(zhǎng)速率最快。確定AlN晶體生長(zhǎng)的最佳工藝參數(shù)為：生長(zhǎng)溫度為2200℃、N2氣壓為6.0×104Pa，坩堝內(nèi)溫度梯度為3-5℃/mm。
　　研究了AlN晶體生長(zhǎng)機(jī)制和AlN納米螺旋的發(fā)光性質(zhì)。生長(zhǎng)機(jī)制研究結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)AlN生長(zhǎng)的本質(zhì)因素為AlN晶體的自發(fā)極性，AlN晶體生長(zhǎng)遵循周期堆疊模型。在自發(fā)極性的驅(qū)動(dòng)下，AlN晶體生長(zhǎng)機(jī)制為斜六邊形棱柱的周期性堆疊，即：AlN晶體生長(zhǎng)以斜六邊形棱柱

5、為基本生長(zhǎng)單元，斜六邊形棱柱的形成是由于AlN原子的錯(cuò)位排列導(dǎo)致；AlN晶體生長(zhǎng)過(guò)程可以視為斜六邊形棱柱的周期性堆疊過(guò)程；晶體形貌由斜六邊形棱柱的厚度和沿軸向的旋轉(zhuǎn)角度決定；隨著生長(zhǎng)溫度的升高，AlN形貌從晶須逐漸向晶粒轉(zhuǎn)變，在堆疊模型和纖鋅礦結(jié)構(gòu)結(jié)晶學(xué)特性的共同作用下，AlN晶粒沿著[0001]方向扭轉(zhuǎn)或傾斜生長(zhǎng)；在2200℃生長(zhǎng)溫度下，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，在晶體中形成大量的晶界和類(lèi)微管型缺陷。發(fā)光性質(zhì)研究結(jié)果表明：AlN納米螺旋中存

6、在著三種本征缺陷，分別為氮空位(VN)、鋁間隙(Ali)和氮空位與鋁間隙的復(fù)合缺陷(VNAli)，其中VNAli復(fù)合缺陷導(dǎo)致了晶體中的長(zhǎng)余輝效應(yīng)，長(zhǎng)余輝效應(yīng)壽命可達(dá)十分鐘以上。理論上，第一性原理計(jì)算表明VNAli可以導(dǎo)致595nm的發(fā)光，并可能導(dǎo)致長(zhǎng)余輝效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上，驗(yàn)證了AlN納米螺旋中600nm長(zhǎng)余輝效應(yīng)的存在。AlN納米螺旋長(zhǎng)余輝的發(fā)光機(jī)制為：AlN晶體中 VNAli復(fù)合缺陷誘導(dǎo)了導(dǎo)帶中部分能級(jí)的下降并脫離導(dǎo)帶，形成了具有0.35

7、eV的陷阱能級(jí)；同時(shí)VNAli復(fù)合缺陷在禁帶內(nèi)部形成了缺陷能級(jí)，與陷阱能級(jí)之間的帶隙寬度為2.07eV(600nm)，導(dǎo)致了AlN納米螺旋600nm的長(zhǎng)余輝效應(yīng)。
　　研究了AlN晶體生長(zhǎng)初期W和Ta襯底對(duì)AlN晶體的形核習(xí)性的影響和AlN晶體接長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)工藝過(guò)程，成功獲得了AlN多晶錠。形核習(xí)性研究結(jié)果表明：作為材料的本征性質(zhì)，表面遷移能(Surface Potential Energy,SPE)和異質(zhì)形核能(Heterogeneo

8、us Nucleation Energy,HNE)對(duì)AlN形核數(shù)量和位置有著顯著的影響，并且可以通過(guò)改變襯底的表面形貌來(lái)調(diào)整SPE和HNE的大小，達(dá)到控制AlN晶體形核數(shù)量和形核位置的目的。將AlN初期形核階段歸納為三個(gè)步驟，(i)肖特基接觸形成過(guò)程：襯底的功函數(shù)決定著AlN原子在襯底上的吸附能力，影響晶核的形核密度；(ii)吸附AlN原子在襯底表面的遷移：在原子遷移過(guò)程中原子被襯底的表面勢(shì)能束縛，較大的表面勢(shì)能差為原子提供穩(wěn)定的位置；

9、(iii)AlN的形核：處于穩(wěn)定位置原子的形核過(guò)程需要克服異質(zhì)形核能。晶體接長(zhǎng)工藝研究結(jié)果表明：TaC襯底上具有(0001)、(10-11)和(10-10)生長(zhǎng)面的晶核容易長(zhǎng)大，并能在晶錠生長(zhǎng)過(guò)程中形成大晶粒。獲得了直徑為30mm、高度為22mm的AlN多晶錠和尺寸為8mm×8mm的單晶晶粒。隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，AlN晶體質(zhì)量逐漸提高，生長(zhǎng)120h后的AlN晶體表面E2(high)的拉曼位移峰半峰寬為7cm-1、(0002)向搖擺曲線(xiàn)半