基于数值模拟的PVT法大尺寸氮化铝晶体生长工艺研究

发布时间：2021-07-04 14:56

　　作为第三代宽禁带半导体材料的代表,氮化铝（AlN）晶体具有宽带隙,高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率以及高抗辐射能力等优点,在高温、高频、高功率电子器件的制备方面具有广阔的应用前景。高质量单晶氮化铝衬底的研发以及下游相关器件的制造将极大促进通信、能源、航天、国防等方面的发展。目前,世界范围内对AlN衬底的制备技术还处于技术研发阶段,产品稀少且价格昂贵。国内多家研究机构和单位相继开展了相关研究,但在晶体尺寸、晶体质量以及衬底的器件应用等方面,均与国际先进水平存在明显差距。物理气相传输（PVT）法被公认为是能够制备出高质量、大尺寸AlN单晶体的主流技术,但受测试手段所限,无法直观地观测晶体生长期间各种条件状态,难以及时反馈进行工艺调整。本文采用计算机模拟仿真技术与实验相结合的方法,针对AlN晶体生长工艺进行研究。本文使用模拟仿真软件VR-PVT AlN,通过晶体生长炉仿真模型的建立以及工艺参数的设定,对生长工艺中涉及的物理及化学过程,包括温度场分布、气流传输方式、不同介质之间的热传导、热辐射、晶体形状演变等进行研究。通过模拟软件内置演算工具对焓变方程、湍流方程、热力学及动力学方程等的联立... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：67 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

AlN晶体及衬底1

Ala)AlN基深紫外LEDb

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文期过长，所得实验结果难以及时对生长工艺进行反馈，拟通过试验得到晶体生长的最佳生长工艺将耗费大量的人力物力和时间成本。图1-3PVT法原理示意图计算机模拟仿真技术具有成本低廉、模拟精度高的优点。本文通过模拟仿真技术对AlN晶体生长工艺进行研究，探究加热器位置及功率、进气压力、原料状态、籽晶沉积片性质等条件对晶体生长质量的影响，并对不同时间段的晶体生长状态进行监测，实现对晶体炉内部温场及流场的优化，得到质量高、尺寸大、缺陷低的晶体生长工艺。这对于降低生产成本、提高企业核心竞争力具有重要意义。1.2氮化铝晶体的结构作为的III-V族代表性半导体材料，氮化铝晶体主要有六方纤锌矿结构(α-phase)和立方闪锌矿结构(β-phase)两种结构[19]。AlN晶体的稳定结构是六方纤锌矿结构，而立方闪锌矿结构属于亚稳态结构，常压下不稳定，只有在高压下才能稳定存在。氮原子层和铝原子层在晶体中的不同堆叠方式是六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构的区别之处。纤锌矿结构的堆积方式为ABABABA……，而闪锌矿结构的堆积方式为ABCABCA……，这两种结构在本质上的堆积方式相同。图1-4[20]a)为纤锌矿氮化铝晶体的原子排列结构，Al原子和N原子相互嵌套构成四面体子晶格，在其结构中每个Al原子与最邻近的四个N构成一个四面体，每个N原子与最邻近的四个Al也同样构成一个四面体。无论是N原子还是Al原子，若从单个原子角度观察，配位方式是相同的，两种原子形成子晶格沿c轴平移0.385c0嵌套构成AlN晶体。图1-4b)为AlN晶体的四面体子晶格中键长及键角示意图，Al-N键的键长有两种，分别为0.1917nm和0.1885nm，键角∠NAlN也有两种，分别为107.7°和110.5°，产生这两种键长和键角的原因在于Al-N化合键的杂化方式不同[21]。

【参考文献】：
期刊论文
[1]Wet etching and infrared absorption of AlN bulk single crystals[J]. 李巍巍,赵有文,董志远,杨俊,胡炜杰,客建红.  半导体学报. 2009(07)

博士论文
[1]物理气相传输法生长氮化铝晶体的机制研究[D]. 金雷.哈尔滨工业大学 2015

硕士论文
[1]高质量氮化铝晶体制备技术的分析[D]. 鲁正乾.郑州大学 2018



本文编号：3265001