高质量氮化铝晶体制备技术的分析

摘要

从半导体材料诞生至今，对于半导体器件的研究就从未停止过。现在已经发展到第三代半导体，为了配合实施《关于汞的水俣公约》，将全面限制含汞产品的生产和使用。目前急需对汞源紫外线的替代产品的研究，所以第三代半导体AlN步入研究人员的视野并迅速成为紫外线设备的热门材料。　　本论文在较为全面的调查研究的基础上总结了现有的AlN生产技术和深紫外激光器制作的难点，对深紫外激光器制作中高质量AlN晶体衬底的生长进行研究。并利用仿真软件对AlN晶体的生长进行计算。　　首先，对AlN晶体PVT方式生长的初步过程进行计算。模型需要对现今制备中常用的Al极性AlN晶体(0001)表面进行建模，讨论在PVT生长过程中，AlN蒸汽在表面上方的扩散以及表面结合。基于第一性原理的计算，建立了AlN晶体(0001)表面上单一空位缺陷造成的单原子凸起的生长模型，分别模拟了不同的凸起原子对AlN蒸汽中的不同组分的结合以及扩散情况。并找到了AlN晶体生长中可能存在的最初生长过程。　　随后，对宏观的AlN晶体进行讨论。在AlN晶体生长过程中最重要的就是生长过程和降温过程。首先对坩埚进行了建模，获得了可靠的温度场数据。其次，在以该温度场为前提的情况下对AlN晶体的降温进行模拟，获取了AlN晶体的内部温度分布，可以获得晶体内部不同区域的温度梯度。在这之后，对降低温度梯度的方式进行了仿真。逐渐形成了以SiC为过渡层的多层晶体生长结构。对得到的AlN-SiC晶体生长结构进行温度场的仿真，从整体的温度分布和中心线温度分布两个方面进行了模拟，得到了不同参数条件下的温度梯度，并以此为依据获得了晶体内部的应力水平。这种多层晶体生长结构有效的解决了AlN晶体在降温过程中应力水平过大的问题。　　为了配合在宏观AlN晶体中的研究，根据在降温过程中设计的AlN-SiC多层结构对现有的PVT生长设备结构进行改进。以寻求一个能在PVT的生长过程中完成多种材料多层结构制备的设备。通过阅读一些文献，得出了采用生长条件控制的方式实现多层结构的生长。在新坩埚的结构设计完成之后，还讨论了SiC晶体作为AlN晶体生长中设计的缓冲层的可行性，从而完成分时段多源PVT生长设备的结构设计。

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摘要

插图索引

图表索弓

1 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 氮化铝的晶体结构

1．3 氮化铝晶体的物理性质

1．4 氮化铝晶体的制备方法

1．4．1 铝金属直接氮化法

1．4．2 金属有机化学气相沉积(MOCVD)法

1．4．3 氢化物气相外延生长(HVPE)法

1．4．4 物理气相传输(PVT)法

1．5 AIN晶体的应用

1．6 本文的主要研究内容

2 晶体本征缺陷与生长模型

2．1 晶体中的空位缺陷

2．2 晶体生长理论模型

2．2．1 科塞尔-斯特兰斯基模型

2．2．2 螺旋位错模型

2．2．3 周期键链(PBC)理论

3 晶体生长的仿真

3．1 第一性原理概论

3．2 AIN晶体生长过程的模型

3．3 反应物与表面的结合能

3．4 反应原子的扩散势垒

3．5 本章小结

4 PVT法晶体生长的研究

4．1 感应加热体的模拟

4．2 AIN晶体冷却温度分布

4．3 AIN晶体热应力

4．4 生长室结构改进

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 论文工作总结

5．2 下一步工作的展望

参考文献

作者简介

1．基本情况

2．教育背景

3．研究成果

致谢