PVT法AlN单晶生长技术研究进展及其面临挑战
发布时间：2021-03-25 23:55
氮化铝（AlN）具有超宽禁带宽度（6.2 eV）、高热导率（340 W/（m·℃））、高击穿场强（11.7 MV/cm）、良好的紫外透过率、高化学和热稳定性等优异性能,是氮化镓基（GaN）高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底材料。物理气相传输（PVT）法是制备大尺寸高质量AlN单晶最有前途的方法。本文介绍了AlN单晶的晶体结构、基本性质及PVT法生长AlN晶体的原理与生长习性。基于AlN单晶PVT生长策略,综述了自发形核工艺、同质外延工艺及异质外延工艺的研究历程,各生长策略的优缺点及其最新进展。最后对PVT法生长AlN单晶的发展趋势及其面临的挑战进行了简要展望。
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(07)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
采用同质外延工艺生长的AlN单晶
AlN 晶体结构有六方纤锌矿(α-phase)和立方闪锌矿(β-phase)两种结构[18],其中六方纤锌矿结构为稳定结构,堆叠方式为ABAB(2H),晶胞结构如图1所示。AlN属于共价化合物,从原子角度观察,每个Al原子(或N原子)与相邻四个N原子(或Al原子)构成四面体结构,包含三个极性共价键和一个配价键,晶格结构如图1所示。其中,Al原子外层电子的三个半满轨道与N原子外层电子的三个半满轨道形成三个极性共价键,通常称为B1键;Al原子外层电子的一个空轨道与 N 原子外层电子的一个满轨道形成一个配价键,通常称为B2键。B1键与B2键的键长分别为0.188 5 nm和0.191 7 nm,相对而言,B1键的键长更短,键能更高,因此更加稳定。B1键之间的键角为110.5°,B1键与B2键之间的键角为107.7°[19]。相应的AlN晶格参数a为0.311 0～0.311 3 nm,c为0.497 8～0.498 2 nm,c/a为1.600～1.602[20]。六方纤锌矿结构属于非中心对称结构,在<0001>方向上存在双分子层结构。对AlN晶体而言,每个双分子层结构包含单层Al原子与单层N原子,两层原子通过B1键紧密结合,而双分子层之间则通过B2键连接。六方纤锌矿结构AlN晶体的常规晶面分布如图2所示。与SiC、GaN等其他化合物半导体材料类似,AlN晶体表面也存在极性面与非极性面的区别,理论把最靠近晶体表面的原子层(即终端层)极性确定为此晶面的极性。实验研究中,通常把N极性面指向Al极性面的方向作为[0001]方向,所以(0001)面特指Al极性c面, (000 1 ˉ ) 特指N极性c面, {10 1 ˉ n} 属于半极性r面族, {10 1 ˉ 0} 属于非极性m面族, {11 2 ˉ 0} 属于非极性a面族。在确定生长方向的前提下,可以根据晶面极性推断出晶体内部原子排布方式,并以Al极性晶体(+c AlN)或N极性晶体(-c AlN)加以区分[21]。
六方纤锌矿结构属于非中心对称结构,在<0001>方向上存在双分子层结构。对AlN晶体而言,每个双分子层结构包含单层Al原子与单层N原子,两层原子通过B1键紧密结合,而双分子层之间则通过B2键连接。六方纤锌矿结构AlN晶体的常规晶面分布如图2所示。与SiC、GaN等其他化合物半导体材料类似,AlN晶体表面也存在极性面与非极性面的区别,理论把最靠近晶体表面的原子层(即终端层)极性确定为此晶面的极性。实验研究中,通常把N极性面指向Al极性面的方向作为[0001]方向,所以(0001)面特指Al极性c面, (000 1 ˉ ) 特指N极性c面, {10 1 ˉ n} 属于半极性r面族, {10 1 ˉ 0} 属于非极性m面族, {11 2 ˉ 0} 属于非极性a面族。在确定生长方向的前提下,可以根据晶面极性推断出晶体内部原子排布方式,并以Al极性晶体(+c AlN)或N极性晶体(-c AlN)加以区分[21]。1.2 晶体性质
本文编号：3100554
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(07)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
采用同质外延工艺生长的AlN单晶
AlN 晶体结构有六方纤锌矿(α-phase)和立方闪锌矿(β-phase)两种结构[18],其中六方纤锌矿结构为稳定结构,堆叠方式为ABAB(2H),晶胞结构如图1所示。AlN属于共价化合物,从原子角度观察,每个Al原子(或N原子)与相邻四个N原子(或Al原子)构成四面体结构,包含三个极性共价键和一个配价键,晶格结构如图1所示。其中,Al原子外层电子的三个半满轨道与N原子外层电子的三个半满轨道形成三个极性共价键,通常称为B1键;Al原子外层电子的一个空轨道与 N 原子外层电子的一个满轨道形成一个配价键,通常称为B2键。B1键与B2键的键长分别为0.188 5 nm和0.191 7 nm,相对而言,B1键的键长更短,键能更高,因此更加稳定。B1键之间的键角为110.5°,B1键与B2键之间的键角为107.7°[19]。相应的AlN晶格参数a为0.311 0～0.311 3 nm,c为0.497 8～0.498 2 nm,c/a为1.600～1.602[20]。六方纤锌矿结构属于非中心对称结构,在<0001>方向上存在双分子层结构。对AlN晶体而言,每个双分子层结构包含单层Al原子与单层N原子,两层原子通过B1键紧密结合,而双分子层之间则通过B2键连接。六方纤锌矿结构AlN晶体的常规晶面分布如图2所示。与SiC、GaN等其他化合物半导体材料类似,AlN晶体表面也存在极性面与非极性面的区别,理论把最靠近晶体表面的原子层(即终端层)极性确定为此晶面的极性。实验研究中,通常把N极性面指向Al极性面的方向作为[0001]方向,所以(0001)面特指Al极性c面, (000 1 ˉ ) 特指N极性c面, {10 1 ˉ n} 属于半极性r面族, {10 1 ˉ 0} 属于非极性m面族, {11 2 ˉ 0} 属于非极性a面族。在确定生长方向的前提下,可以根据晶面极性推断出晶体内部原子排布方式,并以Al极性晶体(+c AlN)或N极性晶体(-c AlN)加以区分[21]。
六方纤锌矿结构属于非中心对称结构,在<0001>方向上存在双分子层结构。对AlN晶体而言,每个双分子层结构包含单层Al原子与单层N原子,两层原子通过B1键紧密结合,而双分子层之间则通过B2键连接。六方纤锌矿结构AlN晶体的常规晶面分布如图2所示。与SiC、GaN等其他化合物半导体材料类似,AlN晶体表面也存在极性面与非极性面的区别,理论把最靠近晶体表面的原子层(即终端层)极性确定为此晶面的极性。实验研究中,通常把N极性面指向Al极性面的方向作为[0001]方向,所以(0001)面特指Al极性c面, (000 1 ˉ ) 特指N极性c面, {10 1 ˉ n} 属于半极性r面族, {10 1 ˉ 0} 属于非极性m面族, {11 2 ˉ 0} 属于非极性a面族。在确定生长方向的前提下,可以根据晶面极性推断出晶体内部原子排布方式,并以Al极性晶体(+c AlN)或N极性晶体(-c AlN)加以区分[21]。1.2 晶体性质
本文编号：3100554
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