AlN单晶生长行为研究
发布时间：2021-08-12 10:58
本文采用物理气相传输法对不同衬底温度和温差下制备的氮化铝（AlN）晶体形貌进行研究,研究结果表明AlN晶体生长受到AlN晶面表面能、Al基元平均动能和AlN晶体表面极性的共同影响。当温差为60℃时, AlN晶体（0001）面生长速率小于（10-10）面,AlN以带状形式生长。将该工艺应用于AlN同质生长中,研究结果表明:温差为60℃时AlN晶体（0001）面呈现畴生长模式,该晶体质量最差;温差为35℃时AlN晶体（0001）面呈现台阶流生长模式,该晶体质量最优;温差为20℃时AlN晶体（0001）面呈现台阶簇生长模式,该晶体容易开裂。通过工艺优化最终获得了直径为40 mm AlN单晶衬底,完全满足器件制备需求。
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(11)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
(a)双温区金属系统晶体生长炉结构示意图;(b)AlN籽晶
通过双加热器耦合,设定衬底温度分别为1 850 ℃、1 950 ℃、2 050 ℃、2 150 ℃和2 250 ℃,同时设定坩埚底与衬底之间的温差为20 ℃,获得的AlN晶体形貌如图2(a)～(e)所示,可以看出AlN纳米线的生长方向为[0001]晶向[9-10],随着生长温度的增加,AlN晶体逐渐从纳米线向晶粒转变,在高于2 150 ℃的生长温度下,AlN晶体的(0001)晶面出现。图2(f)～(j)所示衬底温度分别为1 850 ℃、1 950 ℃、2 050 ℃、2 150 ℃和2 250 ℃,坩埚底与衬底之间的温差为60 ℃时获得的AlN晶体形貌图。与图2(a)～(e)相比,该工艺条件下AlN晶体形貌为带状结构,在本课题组之前的工作已经报道了该结构的表面为(0001)晶面[5],在高于2 150 ℃的生长温度下,AlN晶体生长过程中,Al原子的迁移是生长速率限制过程,进而影响了晶体生长的结构及表面形貌。一般情况下,Al基元的迁移率受AlN晶体各个生长面表面能和Al基元平均动能的共同影响。首先,Al基元在AlN晶体(0001)面和(000-1)面的迁移能分别为1.2 eV和0.8 eV,在(10-10)面的[11-20]向和[0001]向的迁移能分别为0.11 eV和2.79 eV,在(11-20)面的[10-10]向和[0001]向的迁移能分别为0.56 eV和2.12 eV[11]。由于AlN晶体(000±1)晶面的表面迁移能与(10-10)面和(11-20)面迁移能的低值相比更大,因此理论上,上述AlN晶体的三个晶面中,(000±1)面生长速率最大,AlN晶体的(11-20)面其次,(10-10)面最慢,即晶面生长速率V(000±1)>V(11-20)>V(10-10),这是过饱和度较低时,AlN倾向于生长成晶须的原因。其次,Al基元的平均动能随着温度的增加而增加,高温下能够克服晶体表面能的Al基元概率更大,这是随着生长温度的增加AlN晶体形貌逐渐从纳米线向晶粒转变根本原因。但实际上AlN晶体生长不仅仅受到各个生长面的表面能和Al基元的平均动能的影响,还受到AlN晶体表面极性的影响。目前,在ZnO晶体的研究中,已有大量关于表面极性对晶体生长形貌影响的报道[12-14]。AlN晶体的(000±1)面为极性面,其表面极性为-0.081 C/m2,是ZnO晶体的1.42倍,因此推断图2(f)～(j)中所示的带状AlN晶体就是在AlN晶体的表面极性作用下获得的。图2(k)所示为AlN晶体极性表面Al基元和N基元分布示意图,随着坩埚底与衬底之间的温差增加至60 ℃,根据生长速率公式[10],AlN晶体各晶面生长速率应同时增加。然而,在AlN极性表面的作用下,AlN晶体(0001)面带有正电荷的Al基元受到排斥,(000-1)面带有负电荷的N基元受到排斥,因此AlN晶体极性面,即(000±1)面的生长速率的增加量受到限制,最终导致晶面生长速率V(11-20)>V(10-10)>V(000±1)。图2(l)～(n)所示为坩埚底与衬底之间的温差为60 ℃时,AlN晶体(0001)面倾斜生长的情况下AlN带状结构的形成过程,在极性表面的作用下,AlN晶体生长沿着(0001)面迅速平铺,最终形成了自支撑带状晶体。图2(o)～(q)所示为坩埚底与衬底之间的温差为60 ℃时,AlN晶体(0001)面与衬底平行生长的情况下AlN晶体迅速平铺的过程,同样在极性表面的作用下,AlN晶体的(0001)面迅速扩大形成极薄的AlN晶体。
(0001)面的平铺生长是获得大尺寸高质量AlN晶体的前提,根据上述实验及分析,当坩埚底与衬底温差较大时,即晶体生长过饱和度较大时,AlN表面极性将限制(0001)晶面生长速率的增加,因此,按照生长温度和温度梯度的不同,将同质籽晶生长AlN晶体的生长工艺图谱分为四个区域,分别为多晶生长区、(0001)面生长优势区、(0001)面与(10-10)面生长相当区、(0001)面生长劣势区。进一步,为了观察AlN表面极性在同质AlN晶体生长中的作用,在同样的籽晶温度下,分别在坩埚底与籽晶温差为100 ℃、60 ℃、35 ℃和20 ℃情况下生长AlN晶体,获得的晶体图片分别如图3(a)、(b)、(e)和(h)所示。当温差为100 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度极大,在籽晶表面形成了多晶点,最终获得的晶体为多晶晶体。温差为60 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度较大,获得的AlN晶体为圆柱状,可观察到具有平整大面积的(0001)面生长,但该生长表面微观图显示畴生长模式如图3(c)所示,这是由于在该过饱和度下,表面极性促进了(0001)面的产生,但在生长过程中,各个生长中心生长均具有较强的生长能力,不能实现完美的吞并过程,最终在生长表面形成了畴区域,在这样的生长模式下获得的晶体质量极差,如图3(d)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为980 arcsec,并且可以明显观察到多个峰肩的存在。温差为35 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度适中,获得的AlN晶体截面为梯形,其(0001)生长面尺寸与图3(b)中晶体相比较尺寸变小,生长表面微观图显示为台阶流生长模式如图3(f)所示,该生长表面是在表面极性和热场的共同作用下产生的,籽晶中间的温度相比四周略低,具更大的过饱和度,极性表面的作用更强,因此在晶体上表面中心形成了单一或少数几个生长中心,在这样的生长模式下获得的晶体质量最好,如图3(g)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为92 arcsec。温差为20 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度较小,获得晶体(0001)生长面尺寸极小,这是由于在该过饱和度下表面极性几乎不起作用,该生长形貌完全受到热场分布的影响,在这样的生长模式下获得的晶体质量同样较高,如图3(j)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为176 arcsec,但该生长环境下获得晶体热应力较大,晶体在降温过程中将会产生大量裂纹,不适合AlN衬底的制备。在大量的实验工作下,目前,可制备出直径40 mm的(0001)面AlN单晶衬底,如图4(a)所示,抛光后晶面粗糙度Ra≤0.08 nm,并且可以观察到晶体台阶排布,如图4(b)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为52 arcsec,如图4(c)所示,拉曼E2(high)半峰宽为5.3 cm-1,如图4(d)所示。本研究的AlN晶体样品已在多家单位得到应用验证,相关内容将在后续持续报道。
【参考文献】：
期刊论文
[1]PVT法AlN单晶生长技术研究进展及其面临挑战[J]. 付丹扬,龚建超,雷丹,黄嘉丽,王琦琨,吴亮. 人工晶体学报. 2020(07)
[2]High-efficiency AlGaN/GaN/AlGaN tunnel junction ultraviolet light-emitting diodes[J]. A.PANDEY,W.J.SHIN,J.GIM,R.HOVDEN,Z.MI. Photonics Research. 2020(03)
[3]Controlling morphology evolution of AIN nanostructures:influence of growth conditions in physical vapor transport[J]. Lei Jin,Hongjuan Cheng,Jianli Chen,Song Zhang,Yongkuan Xu,Zhanping Lai. Journal of Semiconductors. 2018(07)
[4]不同颜色AlN单晶缺陷研究[J]. 徐永宽,金雷,程红娟,史月增,张丽,齐海涛. 人工晶体学报. 2018(07)
本文编号：3338197
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(11)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
(a)双温区金属系统晶体生长炉结构示意图;(b)AlN籽晶
通过双加热器耦合,设定衬底温度分别为1 850 ℃、1 950 ℃、2 050 ℃、2 150 ℃和2 250 ℃,同时设定坩埚底与衬底之间的温差为20 ℃,获得的AlN晶体形貌如图2(a)～(e)所示,可以看出AlN纳米线的生长方向为[0001]晶向[9-10],随着生长温度的增加,AlN晶体逐渐从纳米线向晶粒转变,在高于2 150 ℃的生长温度下,AlN晶体的(0001)晶面出现。图2(f)～(j)所示衬底温度分别为1 850 ℃、1 950 ℃、2 050 ℃、2 150 ℃和2 250 ℃,坩埚底与衬底之间的温差为60 ℃时获得的AlN晶体形貌图。与图2(a)～(e)相比,该工艺条件下AlN晶体形貌为带状结构,在本课题组之前的工作已经报道了该结构的表面为(0001)晶面[5],在高于2 150 ℃的生长温度下,AlN晶体生长过程中,Al原子的迁移是生长速率限制过程,进而影响了晶体生长的结构及表面形貌。一般情况下,Al基元的迁移率受AlN晶体各个生长面表面能和Al基元平均动能的共同影响。首先,Al基元在AlN晶体(0001)面和(000-1)面的迁移能分别为1.2 eV和0.8 eV,在(10-10)面的[11-20]向和[0001]向的迁移能分别为0.11 eV和2.79 eV,在(11-20)面的[10-10]向和[0001]向的迁移能分别为0.56 eV和2.12 eV[11]。由于AlN晶体(000±1)晶面的表面迁移能与(10-10)面和(11-20)面迁移能的低值相比更大,因此理论上,上述AlN晶体的三个晶面中,(000±1)面生长速率最大,AlN晶体的(11-20)面其次,(10-10)面最慢,即晶面生长速率V(000±1)>V(11-20)>V(10-10),这是过饱和度较低时,AlN倾向于生长成晶须的原因。其次,Al基元的平均动能随着温度的增加而增加,高温下能够克服晶体表面能的Al基元概率更大,这是随着生长温度的增加AlN晶体形貌逐渐从纳米线向晶粒转变根本原因。但实际上AlN晶体生长不仅仅受到各个生长面的表面能和Al基元的平均动能的影响,还受到AlN晶体表面极性的影响。目前,在ZnO晶体的研究中,已有大量关于表面极性对晶体生长形貌影响的报道[12-14]。AlN晶体的(000±1)面为极性面,其表面极性为-0.081 C/m2,是ZnO晶体的1.42倍,因此推断图2(f)～(j)中所示的带状AlN晶体就是在AlN晶体的表面极性作用下获得的。图2(k)所示为AlN晶体极性表面Al基元和N基元分布示意图,随着坩埚底与衬底之间的温差增加至60 ℃,根据生长速率公式[10],AlN晶体各晶面生长速率应同时增加。然而,在AlN极性表面的作用下,AlN晶体(0001)面带有正电荷的Al基元受到排斥,(000-1)面带有负电荷的N基元受到排斥,因此AlN晶体极性面,即(000±1)面的生长速率的增加量受到限制,最终导致晶面生长速率V(11-20)>V(10-10)>V(000±1)。图2(l)～(n)所示为坩埚底与衬底之间的温差为60 ℃时,AlN晶体(0001)面倾斜生长的情况下AlN带状结构的形成过程,在极性表面的作用下,AlN晶体生长沿着(0001)面迅速平铺,最终形成了自支撑带状晶体。图2(o)～(q)所示为坩埚底与衬底之间的温差为60 ℃时,AlN晶体(0001)面与衬底平行生长的情况下AlN晶体迅速平铺的过程,同样在极性表面的作用下,AlN晶体的(0001)面迅速扩大形成极薄的AlN晶体。
(0001)面的平铺生长是获得大尺寸高质量AlN晶体的前提,根据上述实验及分析,当坩埚底与衬底温差较大时,即晶体生长过饱和度较大时,AlN表面极性将限制(0001)晶面生长速率的增加,因此,按照生长温度和温度梯度的不同,将同质籽晶生长AlN晶体的生长工艺图谱分为四个区域,分别为多晶生长区、(0001)面生长优势区、(0001)面与(10-10)面生长相当区、(0001)面生长劣势区。进一步,为了观察AlN表面极性在同质AlN晶体生长中的作用,在同样的籽晶温度下,分别在坩埚底与籽晶温差为100 ℃、60 ℃、35 ℃和20 ℃情况下生长AlN晶体,获得的晶体图片分别如图3(a)、(b)、(e)和(h)所示。当温差为100 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度极大,在籽晶表面形成了多晶点,最终获得的晶体为多晶晶体。温差为60 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度较大,获得的AlN晶体为圆柱状,可观察到具有平整大面积的(0001)面生长,但该生长表面微观图显示畴生长模式如图3(c)所示,这是由于在该过饱和度下,表面极性促进了(0001)面的产生,但在生长过程中,各个生长中心生长均具有较强的生长能力,不能实现完美的吞并过程,最终在生长表面形成了畴区域,在这样的生长模式下获得的晶体质量极差,如图3(d)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为980 arcsec,并且可以明显观察到多个峰肩的存在。温差为35 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度适中,获得的AlN晶体截面为梯形,其(0001)生长面尺寸与图3(b)中晶体相比较尺寸变小,生长表面微观图显示为台阶流生长模式如图3(f)所示,该生长表面是在表面极性和热场的共同作用下产生的,籽晶中间的温度相比四周略低,具更大的过饱和度,极性表面的作用更强,因此在晶体上表面中心形成了单一或少数几个生长中心,在这样的生长模式下获得的晶体质量最好,如图3(g)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为92 arcsec。温差为20 ℃时,AlN晶体生长表面过饱和度较小,获得晶体(0001)生长面尺寸极小,这是由于在该过饱和度下表面极性几乎不起作用,该生长形貌完全受到热场分布的影响,在这样的生长模式下获得的晶体质量同样较高,如图3(j)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为176 arcsec,但该生长环境下获得晶体热应力较大,晶体在降温过程中将会产生大量裂纹,不适合AlN衬底的制备。在大量的实验工作下,目前,可制备出直径40 mm的(0001)面AlN单晶衬底,如图4(a)所示,抛光后晶面粗糙度Ra≤0.08 nm,并且可以观察到晶体台阶排布,如图4(b)所示,其XRD双晶摇摆曲线半峰宽为52 arcsec,如图4(c)所示,拉曼E2(high)半峰宽为5.3 cm-1,如图4(d)所示。本研究的AlN晶体样品已在多家单位得到应用验证,相关内容将在后续持续报道。
【参考文献】：
期刊论文
[1]PVT法AlN单晶生长技术研究进展及其面临挑战[J]. 付丹扬,龚建超,雷丹,黄嘉丽,王琦琨,吴亮. 人工晶体学报. 2020(07)
[2]High-efficiency AlGaN/GaN/AlGaN tunnel junction ultraviolet light-emitting diodes[J]. A.PANDEY,W.J.SHIN,J.GIM,R.HOVDEN,Z.MI. Photonics Research. 2020(03)
[3]Controlling morphology evolution of AIN nanostructures:influence of growth conditions in physical vapor transport[J]. Lei Jin,Hongjuan Cheng,Jianli Chen,Song Zhang,Yongkuan Xu,Zhanping Lai. Journal of Semiconductors. 2018(07)
[4]不同颜色AlN单晶缺陷研究[J]. 徐永宽,金雷,程红娟,史月增,张丽,齐海涛. 人工晶体学报. 2018(07)
本文编号：3338197
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