生长宽带隙半导体氮化铝晶体的方法

氮化铝(AlN)在室温下具有6.0 eV (207 nm波长)的宽带隙，作为深紫外光谱范围的光电子材料引起了越来越多的关注。因为氮化铝大块单晶是这种应用的理想器件衬底，大块氮化铝的晶体生长已经被广泛研究。两种生长方法似乎特别有前途:氢化物气相外延(HVPE)和升华。然而，前者需要盐酸和氨等有害气体，而后者需要2000℃左右极高的生长温度。在这里，我们提出了一种新的基于气相外延的氮化铝生长方法，该方法不使用有毒材料；源前驱体是元素铝和氮气。为了制备氮化铝，我们构建了一种新的生长装置，通过简单的反应Al + 1/2N2 → AlN，以氩气为源转移，在1550℃下以约18微米/小时的速率生长氮化铝单晶。这种生长速度与HVPE相当，生长温度比升华时低得多。因此，本研究为实现氮化铝的环境友好生长开辟了一条新的途径。

介绍 

氮化铝(AlN)由于其高导热性、优异的介电性能和高化学稳定性，经常被用作电子封装和散热器。此外，氮化铝由于其室温下6.0电子伏的直接宽带隙和压电性，最近被认为是一种光电材料。为了开发节能装置，基于氮化铝的深紫外发光装置 、高电子迁移率晶体管  、传感器等已经被利用了。目前，有两种主要的氮化铝体晶体生长技术:氢化物气相外延(HVPE)18–21和升华22–27。虽然这些方法有所进步，但它们仍然有局限性。

在这里，我们提出了一种新的途径来实现环境友好的生长氮化铝仅使用元素铝和N2气体作为源前驱体。 我们采用蓝宝石衬底上的异质外延作为成核方法，因为这项研究证明了AlN生长的概念验证，为此目的，异质外延比同质外延更容易且更具成本效益。

结果和讨论

生长器的概念和结构

如图所示 1b . 卧式反应器有两个温度区:一个用于产生铝蒸汽，另一个用于生长氮化铝。这些区域可以在不同的温度下运行。此外，源区被分成上通道和下通道。引入下部通道的惰性氩(氩)气体将热产生的铝蒸汽转移到生长区。另一方面，N2被供应到上部通道中，以避免在到达衬底之前与铝蒸汽过早反应。这些气体在放置衬底的生长区结合在一起。这种生长技术能够连续供应铝蒸汽而不形成氮化铝外壳，允许晶体生长以给定的生长速率进行。图1c显示了操作中的生长装置的照片。

证实了铝和N2之间的反应性

通过能量色散x射线光谱进行的成分分析显示，大部分粉末是纯氮化铝，但有些是氮化铝壳/铝芯复合材料，这很可能是由于粉末上形成了氮化铝外壳(补充信息)。合成的氮化铝粉末的光学特性在补充信息中描述。简而言之，每个氮化铝粉末的阴极射线发光在室温下约360纳米处显示出宽而强烈的发射，这表明氮化铝可能具有作为近紫外磷光体的诱人特征。这些实验结果鼓励我们用图1所示的生长装置来生长氮化铝单晶。

来自铝和N2的厚氮化铝单晶的生长和表征

图2c显示了相同氮化铝表面的光学显微镜图像。通常，蓝宝石(0001)上厚度大于1微米的氮化铝薄膜会出现裂纹34、35，这是由于热膨胀失配引起的氮化铝拉伸应变。然而，裂纹并不存在于我们的氮化铝中，即使它有18微米厚。为了更好地理解这个观察，图。3d显示了氮化铝/蓝宝石界面的放大扫描电镜图像，其中观察到许多尺寸为几百纳米的空隙。另一方面，在共负载的6H-碳化硅(0001)衬底上生长的氮化铝中，不存在这种界面空隙(图。3e)。有趣的是，在6H-SiC上的氮化铝中形成了许多裂纹。同样，蓝宝石上的MOVPE AlN包含裂纹，但不包含空隙。这些研究结果使我们得出结论，界面空隙起到了(拉伸)应变吸收器的作用，防止了裂纹的产生。

图3d显示了AlN对称(0002)和非对称(1102)衍射的ω扫描轮廓，其FWHMs分别为290和291弧秒。根据这些值，可以使用方程N = FWHM2/4.35|b|2来估计螺旋和边缘位错密度(N)，其中b是相应位错的Burgers矢量37.对于螺旋位错，b = [0001]和倾斜分量的FWHM[即，。(0002) FWHM]必须使用。对于边缘位错，必须使用扭曲分量的b = 1/3 < >1120和FWHM，其由(FWHM(1102))2 =(FWHMtiltcosχ)2+(FWHMtwist sinχ)2确定。这里χ是(0001)和(1102)平面之间的角度。估算的螺位错密度和刃位错密度分别为1.8 × 108和4.7 × 108 /cm2。值得注意的是，对于蓝宝石上的氮化铝或碳化硅上的氮化铝异质结构，总位错密度是所有报道值中最低的之一，证明了我们提出的方法的优越性。

尽管将来应该减少空位和杂质，但是安全的源材料、适中的生长温度、相对高的生长速率以及使用所提出的方法生长的氮化铝的优异晶体质量强烈地表明所提出的方法是朝着环境友好的晶体生长过程迈出的重要一步。所提出的生长方法被命名为基本源气相外延(EVPE)，并且在未来的研究中适用于同质外延以进一步提高质量。

图2、.铝和N2生长的氮化铝的结构特性

图3、用XRD评价18-微米厚氮化铝的晶体学性质