AlN-Kristallwachstum durch PVT-Methode

Die dritte Generation von Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke, darunter Galliumnitrid (GaN), Siliziumkarbid (SiC) und Aluminiumnitrid (AlN), weist hervorragende elektrische, thermische und akusto-optische Eigenschaften auf. Diese Materialien beseitigen die Einschränkungen der ersten und zweiten Generation von Halbleitermaterialien und bringen die Halbleiterindustrie erheblich voran.

Derzeit sind die Vorbereitungs- und Anwendungstechnologien fürSiCund GaN sind relativ gut etabliert. Im Gegensatz dazu steckt die Forschung zu AlN, Diamant und Zinkoxid (ZnO) noch in den Kinderschuhen. AlN ist ein Halbleiter mit direkter Bandlücke und einer Bandlückenenergie von 6,2 eV. Es zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen hohen spezifischen Widerstand, eine hohe Durchschlagsfeldstärke sowie eine hervorragende chemische und thermische Stabilität aus. Folglich ist AlN nicht nur ein wichtiges Material für Anwendungen mit blauem und ultraviolettem Licht, sondern dient auch als wesentliches Verpackungs-, dielektrisches Isolations- und Isolationsmaterial für elektronische Geräte und integrierte Schaltkreise. Es eignet sich besonders gut für Hochtemperatur- und Hochleistungsgeräte.

Darüber hinaus weisen AlN und GaN eine gute thermische Anpassung und chemische Kompatibilität auf. AlN wird häufig als epitaktisches GaN-Substrat verwendet, wodurch die Defektdichte in GaN-Geräten erheblich reduziert und deren Leistung verbessert werden kann. Aufgrund seines vielversprechenden Anwendungspotenzials widmen Forscher weltweit der Herstellung hochwertiger, großformatiger AlN-Kristalle große Aufmerksamkeit.

Derzeit sind die Methoden zur VorbereitungAlN-KristalleDazu gehören die Lösungsmethode, die direkte Nitridierung von Aluminiummetall, die Hydriddampfphasenepitaxie (HVPE) und der physikalische Dampftransport (PVT). Unter diesen hat sich die PVT-Methode aufgrund ihrer hohen Wachstumsrate (bis zu 500–1000 μm/h) und der überlegenen Kristallqualität mit einer Versetzungsdichte von weniger als 10^3 cm^-2 zur Haupttechnologie für die Züchtung von AlN-Kristallen entwickelt.

Prinzip und Prozess des AlN-Kristallwachstums mittels PVT-Methode

Das AlN-Kristallwachstum mittels PVT-Methode wird durch die Schritte Sublimation, Gasphasentransport und Rekristallisation des AlN-Rohpulvers abgeschlossen. Die Temperatur der Wachstumsumgebung beträgt bis zu 2300℃. Das Grundprinzip des AlN-Kristallwachstums mittels PVT-Methode ist relativ einfach, wie in der folgenden Formel gezeigt: 2AlN (s) =⥫⥬ 2Al (g) + N2 (g) (1)

Die Hauptschritte seines Wachstumsprozesses sind wie folgt: (1) Sublimation von AlN-Rohpulver; (2) Übertragung von Rohmaterial-Gasphasenkomponenten; (3) Adsorption von Gasphasenkomponenten auf der Wachstumsoberfläche; (4) Oberflächendiffusion und Keimbildung; (5) Desorptionsprozess [10]. Unter normalem Atmosphärendruck beginnen AlN-Kristalle bei etwa 1700 °C langsam in Al-Dampf und Stickstoff zu zerfallen. Wenn die Temperatur 2200 °C erreicht, intensiviert sich die Zersetzungsreaktion von AlN schnell. Abbildung 1 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Partialdruck von AlN-Gasphasenprodukten und der Umgebungstemperatur zeigt. Der gelbe Bereich in der Abbildung ist die Prozesstemperatur von AlN-Kristallen, die mit der PVT-Methode hergestellt wurden. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm der Wachstumsofenstruktur von AlN-Kristallen, die mit der PVT-Methode hergestellt wurden.

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