氮化鋁半導(dǎo)體簡(jiǎn)介

關(guān)于氮化鋁半導(dǎo)體簡(jiǎn)介第一頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日1.前言半導(dǎo)體材料的發(fā)展：1.第一代半導(dǎo)體：以Si，Ge半導(dǎo)體材料為代表；2.第二代半導(dǎo)體：以GaAs，InP半導(dǎo)體材料為代表；3.第三代半導(dǎo)體：以碳化硅（SiC），氮化鎵（GaN），氧化鋅（ZnO），金剛石和氮化鋁（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(chǎng)高，熱導(dǎo)率高，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(lái)看，較為成熟的是SiC和GaN半導(dǎo)體材料，其中SiC技術(shù)最為成熟，而ZnO、金剛石和AlN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究尚屬起步階段。第二頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日2.AlN半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)氮化鋁（AlN）AlN的晶體結(jié)構(gòu)1862年，Bfiegleb和Geuther利用熔融態(tài)Al與N2反應(yīng)，第一次成功合成AlN化合物；AlN晶體具有穩(wěn)定的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a＝3.110?，c=4.978?；純AlN晶體是無(wú)色透明的，但由于晶體中存在的雜質(zhì)離子和本征缺陷，AlN晶體通常呈黃色或琥珀色；根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論推算，AlN在Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料中具有最大的直接帶隙寬度，約6.2eV。第三頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日AlN的多種優(yōu)異性能：1.禁帶寬度6.2eV,并具有直接帶隙,是重要的藍(lán)光和紫外發(fā)光材料;2.熱導(dǎo)率高,

電阻率高,擊穿場(chǎng)強(qiáng)大,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,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),是外延生長(zhǎng)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)第四頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日AlN與其他常用半導(dǎo)體材料特性對(duì)照表2.AlN半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第五頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日3.AlN單晶的生長(zhǎng)

AlN晶體生長(zhǎng)的發(fā)展歷史：1.1956年，Kohn等第一次生長(zhǎng)出AlN單晶，直徑0.03mm，長(zhǎng)度0.3mm；2.

1976年，Slack和McNelly利用升華凝結(jié)法（sublimationrecondensation）成功生長(zhǎng)出AlN晶錠；3.目前，實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)生長(zhǎng)出直徑大于2英寸的AlN晶錠，但仍有許多需要解決。

AlN晶體生長(zhǎng)的難點(diǎn)：1.AlN晶體具有極高的熔點(diǎn)溫度（~3500K）和較大的分解壓，正常壓力條件下，AlN在熔化前即會(huì)發(fā)生分解，因此無(wú)法從熔體中生長(zhǎng)AlN晶體；2.AlN在高溫下分解出的鋁蒸汽很活潑，易腐蝕坩堝，需要選擇耐高溫、耐腐蝕的坩堝材料。第六頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日3.AlN單晶的生長(zhǎng)AlN晶體的生長(zhǎng)方法：（1）Directnitridationofaluminum（鋁直接氮化法）1.1960年，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(zhǎng)度30mm的AlN晶棒和直徑2~3mm的AlN單晶薄片；2.Schlessre等通過(guò)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(shí)間2hrs。第七頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日（2）Highnitrogenpressuresolutiongrowth（高氮?dú)鈮喝芤荷L(zhǎng)法）當(dāng)壓力大于500MPa時(shí)，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(guò)程中的熱量損失增加；當(dāng)壓力大于650MPa時(shí)，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(zhǎng)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(guò)飽和度時(shí)，將得到纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN單晶，但是過(guò)高的過(guò)飽和度將導(dǎo)致過(guò)高的生長(zhǎng)速度，易得到中空針狀結(jié)構(gòu)的AlN單晶。3.AlN單晶的生長(zhǎng)第八頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日（3）Hydridevaporphaseepitaxygrowth（氫化物氣相外延生長(zhǎng)法）1.Akasaki等第一次提出利用HVPE法制備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(duì)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(guò)上述方法，分別在SiC襯底和藍(lán)寶石襯底上制得厚度75mm和20mm的AlN晶片，直徑2英寸；

HVPE法的突出優(yōu)點(diǎn)是其生長(zhǎng)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(zhǎng)第九頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日（4）Physicalvaportransportgrowth（物理氣相傳輸生長(zhǎng)法）PVT法又被稱為sublimationrecondensation法，是生長(zhǎng)AlN單晶最成功的方法；3.AlN單晶的生長(zhǎng)反應(yīng)過(guò)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(guò)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：AlN的升華溫度約是1800oC，但是為了獲得較大的生長(zhǎng)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r(shí)Al的蒸氣壓達(dá)到1atm。第十頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日3.AlN單晶的生長(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)AlN單晶最理想的坩堝材料。加熱系統(tǒng)：石墨或鎢加熱元件，或者微波加熱；利用PVT法，成功制得2×3mm2的AlN薄片和直徑1mm，長(zhǎng)度3mm的針狀A(yù)lN晶棒。第十一頁(yè)，共十三頁(yè)，2022年，8月28日

AlN薄膜生長(zhǎng)技術(shù)：1.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)鉂舛取R射功率和襯底溫度及種類等參數(shù)對(duì)薄膜的結(jié)晶取向和表面形貌影響很大。2.PLDPLD(脈沖準(zhǔn)分子激光沉積)法具有沉積溫度低,生長(zhǎng)速