物理气相传输法生长氮化铝晶体的机制研究

摘要

氮化铝(AlN)是第三代宽禁带半导体材料之一，具有宽带隙、高熔点、高临界击穿场强、高温热稳定性和耐化学腐蚀等优异性质，主要应用于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、二次谐波发射器和表面声波等器件中。物理气相传输(PVT)法被公认为是制备AlN晶体的有效手段之一，已被各科研机构广泛采用。目前，国际上采用PVT法已经制备出了2英寸的AlN单晶片，然而，国内在AlN晶体制备方面仍然处于起步阶段，对于AlN晶体生长机制、复合缺陷发光机制、生长习性和制备工艺等方面的认知和掌握不够。本研究探索了生长工艺对AlN晶体生长的影响，并针对AlN晶体生长机制、复合缺陷发光机制和形核习性进行研究，为AlN晶体生长提供理论和技术指导。
　　本文主要研究内容包括：通过理论计算、模拟和实验研究，设计和优化加热体的形状和结构，探索适合AlN晶体生长的工艺参数；考察在自发形核生长AlN晶体过程中，低维结构和体材料中生长机制的共性，并研究了复合缺陷对晶体发光性质的影响；研究钨(W)、钽(Ta)衬底对AlN晶体形核习性的影响，获得制备AlN多晶锭的工艺参数，并对AlN晶体的结晶质量进行初步表征。
　　研究了加热体形状、生长温度和生长压力(N2)对AlN晶体生长的影响。研究结果表明：通过调整复合式加热体（即：在圆筒形加热体内部配置石墨环）中石墨环的位置，可以调控加热体内部的温度分布，获得晶体生长的最佳温度梯度；随着生长温度从1800℃升高至2200℃，AlN晶体形貌逐渐从晶须向晶体转变；晶体生长速率随着生长气压的改变而改变，当生长气压为6.0×104Pa时晶体生长速率最快。确定AlN晶体生长的最佳工艺参数为：生长温度为2200℃、N2气压为6.0×104Pa，坩埚内温度梯度为3-5℃/mm。
　　研究了AlN晶体生长机制和AlN纳米螺旋的发光性质。生长机制研究结果表明：驱动AlN生长的本质因素为AlN晶体的自发极性，AlN晶体生长遵循周期堆叠模型。在自发极性的驱动下，AlN晶体生长机制为斜六边形棱柱的周期性堆叠，即：AlN晶体生长以斜六边形棱柱为基本生长单元，斜六边形棱柱的形成是由于AlN原子的错位排列导致；AlN晶体生长过程可以视为斜六边形棱柱的周期性堆叠过程；晶体形貌由斜六边形棱柱的厚度和沿轴向的旋转角度决定；随着生长温度的升高，AlN形貌从晶须逐渐向晶粒转变，在堆叠模型和纤锌矿结构结晶学特性的共同作用下，AlN晶粒沿着[0001]方向扭转或倾斜生长；在2200℃生长温度下，随着生长时间的延长，在晶体中形成大量的晶界和类微管型缺陷。发光性质研究结果表明：AlN纳米螺旋中存在着三种本征缺陷，分别为氮空位(VN)、铝间隙(Ali)和氮空位与铝间隙的复合缺陷(VNAli)，其中VNAli复合缺陷导致了晶体中的长余辉效应，长余辉效应寿命可达十分钟以上。理论上，第一性原理计算表明VNAli可以导致595nm的发光，并可能导致长余辉效应。实验上，验证了AlN纳米螺旋中600nm长余辉效应的存在。AlN纳米螺旋长余辉的发光机制为：AlN晶体中 VNAli复合缺陷诱导了导带中部分能级的下降并脱离导带，形成了具有0.35eV的陷阱能级；同时VNAli复合缺陷在禁带内部形成了缺陷能级，与陷阱能级之间的带隙宽度为2.07eV(600nm)，导致了AlN纳米螺旋600nm的长余辉效应。
　　研究了AlN晶体生长初期W和Ta衬底对AlN晶体的形核习性的影响和AlN晶体接长实验工艺过程，成功获得了AlN多晶锭。形核习性研究结果表明：作为材料的本征性质，表面迁移能(Surface Potential Energy,SPE)和异质形核能(Heterogeneous Nucleation Energy,HNE)对AlN形核数量和位置有着显著的影响，并且可以通过改变衬底的表面形貌来调整SPE和HNE的大小，达到控制AlN晶体形核数量和形核位置的目的。将AlN初期形核阶段归纳为三个步骤，(i)肖特基接触形成过程：衬底的功函数决定着AlN原子在衬底上的吸附能力，影响晶核的形核密度；(ii)吸附AlN原子在衬底表面的迁移：在原子迁移过程中原子被衬底的表面势能束缚，较大的表面势能差为原子提供稳定的位置；(iii)AlN的形核：处于稳定位置原子的形核过程需要克服异质形核能。晶体接长工艺研究结果表明：TaC衬底上具有(0001)、(10-11)和(10-10)生长面的晶核容易长大，并能在晶锭生长过程中形成大晶粒。获得了直径为30mm、高度为22mm的AlN多晶锭和尺寸为8mm×8mm的单晶晶粒。随着生长时间的延长，AlN晶体质量逐渐提高，生长120h后的AlN晶体表面E2(high)的拉曼位移峰半峰宽为7cm-1、(0002)向摇摆曲线半峰宽为0.15。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 氮化铝的晶体结构

1.3 氮化铝晶体的性质

1.4 氮化铝晶体的应用

1.5 氮化铝晶体制备方法

1.6 PVT法氮化铝晶体的生长策略

1.7 本文的主要研究内容

第2章 晶体生长原理与测试方法

2.1 PVT法生长氮化铝晶体介绍

2.2 表征方法

2.3 PVT法氮化铝晶体生长前期工作

第3章 PVT法晶体生长工艺参数研究

3.1 引言

3.2 加热体设计

3.3 温度分布的影响研究

3.4 工艺参数对晶体形貌的影响研究

3.5 本章小结

第4章 晶体生长机制及余辉性质研究

4.1 引言

4.2 氮化铝晶体生长机制研究

4.3 氮化铝晶体的长余辉性质研究

4.4 本章小结

第5章 晶体生长习性及晶体表征

5.1 引言

5.2 氮化铝晶体形核习性研究

5.3 氮化铝晶锭生长习性研究

5.4 氮化铝晶体质量性能表征

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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