氮化鋁半導(dǎo)體簡介

1、 氮化鋁（氮化鋁（AlN）半導(dǎo)體）半導(dǎo)體梁龍躍梁龍躍 2014119221.前言前言半導(dǎo)體材料的發(fā)展：半導(dǎo)體材料的發(fā)展：1.第一代半導(dǎo)體：以第一代半導(dǎo)體：以Si，Ge半導(dǎo)體材料為代表；半導(dǎo)體材料為代表；2.第二代半導(dǎo)體：以第二代半導(dǎo)體：以GaAs，InP半導(dǎo)體材料為代表；半導(dǎo)體材料為代表；3.第三代半導(dǎo)體：以碳化硅（第三代半導(dǎo)體：以碳化硅（SiC），氮化鎵（），氮化鎵（GaN），氧化鋅（），氧化鋅（ZnO），金剛石和），金剛石和氮氮化鋁（化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度寬，擊穿電場高，熱導(dǎo)率高，為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度寬，擊穿電場高，熱導(dǎo)率高，電子飽和速率高以

2、及抗輻射能力高等優(yōu)點(diǎn)。電子飽和速率高以及抗輻射能力高等優(yōu)點(diǎn)。 從第三代半導(dǎo)體材料和器件研究發(fā)展現(xiàn)狀來看，較為成熟的是從第三代半導(dǎo)體材料和器件研究發(fā)展現(xiàn)狀來看，較為成熟的是SiC和和GaN半導(dǎo)體材半導(dǎo)體材料，其中料，其中SiC技術(shù)最為成熟，而技術(shù)最為成熟，而ZnO、金剛石和、金剛石和AlN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究尚屬起等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究尚屬起步階段。步階段。2.AlN半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)氮化鋁（氮化鋁（AlN）AlN的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 1862年，Bfiegleb和Geuther利用熔融態(tài)熔融態(tài)Al與與N2反應(yīng)反應(yīng)，第一次成功合成AlN化合物；AlN晶體具有穩(wěn)定的六方纖鋅

3、礦結(jié)構(gòu)六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a3.110，c=4.978；純AlN晶體是無色透明無色透明的，但由于晶體中存在的雜質(zhì)離子和本征缺陷，AlN晶體通常呈黃色黃色 或琥珀色或琥珀色； 根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論推算，AlN在-族半導(dǎo)體材料中具有最大的直接帶隙寬度，約6.2eV。AlN 的多種優(yōu)異性能：的多種優(yōu)異性能：1.禁帶寬度禁帶寬度6.2eV, 并具有直接帶隙直接帶隙,是重要的藍(lán)光和紫外發(fā)光材料;2.熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率高, 電阻率高電阻率高, 擊穿場強(qiáng)大擊穿場強(qiáng)大, 介電系數(shù)小介電系數(shù)小,是優(yōu)異的高溫、高頻和大功率器件用電子材料;3.沿c 軸取向的AlN 具有非常好的壓電性和聲表面波高速傳播性能壓電性和聲表

4、面波高速傳播性能, 是優(yōu)異的聲表面波器件用壓電材料;4.氮化鋁晶體與氮化鎵晶體有非常接近的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù),是外延生長氮化鎵基光電器件的優(yōu)選襯底材料.2.AlN半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)AlN與其他常用半導(dǎo)體材料特性對照表與其他常用半導(dǎo)體材料特性對照表2.AlN半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3.AlN單晶的生長單晶的生長 AlN晶體晶體生長生長的的發(fā)展歷史發(fā)展歷史：1.1956年，Kohn等第一次生長出AlN單晶，直徑直徑0.03mm，長度，長度0.3mm；2. 1976年，Slack和McNelly利用升華凝結(jié)法升華凝結(jié)法（sublimation re

5、condensation）成功生長出AlN晶錠；3.目前，實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)生長出直徑大于直徑大于2英寸英寸的AlN晶錠，但仍有許多需要解決。 AlN晶體晶體生長生長的的難點(diǎn)難點(diǎn)：1.AlN晶體具有極高的熔點(diǎn)溫度熔點(diǎn)溫度（3500K）和較大的分解壓分解壓，正常壓力條件下，AlN在熔化前即會發(fā)生分解，因此無法從熔體中生長AlN晶體；2.AlN在高溫下分解出的鋁蒸汽很活潑，易腐蝕坩堝腐蝕坩堝，需要選擇耐高溫、耐腐蝕的坩堝材料。3.AlN單晶的生長單晶的生長AlN晶體晶體的生長方法的生長方法：（1）Direct nitridation of aluminum（鋁直接氮化法）（鋁直接氮化法）1. 1960年

6、，Taylar和Lenie第一次利用Al和N2高溫反應(yīng)的方法制備AlN單晶，并成功制得直徑0.5mm，長度30mm的AlN晶棒和直徑23mm的AlN單晶薄片；2.Schlessre等通過在N2氣氛中氣化金屬Al的方法，成功制得面積50mm2的AlN單晶薄片,反應(yīng)溫度2100oC,反應(yīng)時間2hrs。（2）High nitrogen pressure solution growth（高氮?dú)鈮喝芤荷L法）（高氮?dú)鈮喝芤荷L法） 當(dāng)壓力大于500MPa時，Al與N2的高溫燃燒反應(yīng)速率減慢，這是因?yàn)镹2在高壓條件下具有較高的熱導(dǎo)率和較大的熱容，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)過程中的熱量損失增加；當(dāng)壓力大于650MPa時，

7、燃燒反應(yīng)被完全終止；此外，高壓條件下N2的密度較大，有利于減少Al的蒸發(fā)和擴(kuò)散； 基于上述機(jī)理，Bockowski等利用HNPSG法成功制得白色針狀A(yù)lN單晶，直徑1mm，長度10mm；實(shí)驗(yàn)方案：將N原子溶解到液態(tài)Al中，溫度1800-2000K, N2壓力2GPa；當(dāng)溶液具有較高的過飽和度時，將得到纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN單晶，但是過高的過飽和度將導(dǎo)致過高的生長速度，易得到中空針狀結(jié)構(gòu)的AlN單晶。3.AlN單晶的生長單晶的生長（3）Hydride vapor phase epitaxy growth（氫化物氣相外延生長法）（氫化物氣相外延生長法） 1.Akasaki等第一次提出利用HVPE法制備

8、AlN單晶，主要化學(xué)反應(yīng)方程式： AlCl3(g)+NH3(g)一AlN(g)+3HCl(g) 反應(yīng)溫度600-1100oC； 2.對上述方法進(jìn)行改進(jìn)：以NH3和HCl作反應(yīng)活性氣體，Ar作承載氣體，首先氣態(tài)HCl與金屬Al反應(yīng)生成AICl3，然后生成的AICl3再與NH3反應(yīng)生成AlN,主要化學(xué)反應(yīng)方程式： HCl(g)+Al(l)一AlCl(g) ， A1Cl(g)+NH3(g)一AlN(s)+HCl(g)+H2(g) 通過上述方法，通過上述方法，分別分別在在SiC襯底和藍(lán)寶石襯底上制得厚度襯底和藍(lán)寶石襯底上制得厚度75m mm和和20m mm的的AlN晶片，直徑晶片，直徑2英寸；英寸；

9、HVPE法的突出優(yōu)點(diǎn)是其生長速度快，可達(dá)到100mm/h，大約是與金屬有機(jī)氣相沉積法和分子束氣相外延法的100倍。3.AlN單晶的生長單晶的生長（4）Physical vapor transport growth（物理氣相傳輸生長法）（物理氣相傳輸生長法） PVT法又被稱為sublimation recondensation法，是生長AlN單晶最成功的方法；3.AlN單晶的生長單晶的生長反應(yīng)過程：反應(yīng)過程：AlN粉末首先在溫度較高的坩堝底部被加熱升華，成為氣相AlN或者Al和N2；然后，經(jīng)過氣相傳輸?shù)竭_(dá)溫度較低的坩堝頂部，在N2氣氛下重結(jié)晶，生成AlN單晶；反應(yīng)溫度：反應(yīng)溫度：AlN的升華溫度

10、約是1800oC，但是為了獲得較大的生長速率（200mm/h）和高質(zhì)量的AlN單晶，反應(yīng)溫度必須高于2100oC，但要低于2500oC，因?yàn)榇藭rAl的蒸氣壓達(dá)到1atm。3.AlN單晶的生長單晶的生長對坩堝材料的要求：對坩堝材料的要求： 熔點(diǎn)要高于2500oC; 不能與Al,N,C等形成低溫共熔體； 不與Al蒸汽和N2反應(yīng)； 蒸氣壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Al與N2形成AlN的蒸氣壓；綜上所述，鎢是生長綜上所述，鎢是生長AlN單晶最理想的坩堝材料。單晶最理想的坩堝材料。加熱系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)： 石墨或鎢加熱元件，或者微波加熱；石墨或鎢加熱元件，或者微波加熱；利用利用PVT法，成功制得法，成功制得23mm2的的A

11、lN薄片和直徑薄片和直徑1mm，長度，長度3mm 的針狀的針狀A(yù)lN晶棒。晶棒。 AlNAlN薄膜生長技術(shù)：薄膜生長技術(shù)： 1.濺射法濺射法 以N2 為反應(yīng)氣體, 用Ar 稀釋載入反應(yīng)腔體, 以高純Al 為濺射靶, 反應(yīng)形成AlN 薄膜。工作氣壓、氮?dú)鉂舛?、濺射功率和襯底溫度及種類等參數(shù)對薄膜的結(jié)晶取向和表面形貌影響很大。2.PLD PLD(脈沖準(zhǔn)分子激光沉積)法具有沉積溫度低, 生長速率高以及保持薄膜與靶成分一致等優(yōu)點(diǎn), 特別適合多組分化合物薄膜。PLD 制備AlN薄膜一般有兩種方法:(1)直接剝離燒結(jié)AlN陶瓷靶, (2)在N2 或NH3 氣氛下剝離純Al 靶反應(yīng)生成。4.AlN薄膜的制備薄膜的制備國內(nèi)外研究進(jìn)展（國內(nèi)外研究進(jìn)展（-2010-2010年）：年）： 美國：美國：2002年啟動“半導(dǎo)體紫外光源”研究計劃；美國TDI公司是目前完全掌握HVPE (氫化物氣相外延)法制備AlN基片技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的唯一單位。TDI的AlN基片是在（0001）的SiC或藍(lán)寶石襯底上淀積10-30微米的電絕緣AlN層，主要用作低缺陷電絕緣襯底，用于制作高功率的