2英寸AlN自支撑衬底生长及应力和缺陷控制研究

AlN is the critical and basic material for the fabrication of deep ultraviolet optoelectronic and high-frenquency high-power microwave devices. However, the fabrication of high-quality large-size AlN free-standing substrate is still very difficult due to the large bond energy, high barrier for atom diffusion, low energy of dislocation formation, and the large stress during the growth. The proposed project will use hydride vapor phase epitaxy（HVPE）to grow AlN free-standing substrate, which can provide high growth rate and be suitable for large-size single crystal growth. The special mask and epitaxial lateral overgrowth techniques will be used to obtain the high crystal quality and decrease the strain of epilayers. By the association of experimental result and theoretical simulation, the origin and development of stress in AlN thick epilayer will be studied deeply to control the strain during the high-speed HVPE growth. On the other hand, the evolution of strain and defect during the AlN growth when dislocation density changing from 1010cm-2 to 106cm-2 will be studied systematically to found the coupling kinetic model of strain-defect. The deep-level defects and their forming mechanism in AlN epilayer will also be studied to find the effective methods to decrease them. From this reaserch, the key scientific issues and growth techniques of AlN free-standing substrate will be resolved. On these basis, the project will be accomplished and the high-quality 2-inch AlN free-standing substrate will be achieved, which will give great support for the development of deep ultraviolet optoelectronic and high-frenquency high-power microwave devices of our country.

AlN衬底是制备高性能深紫外光电器件、高频大功率微波器件的关键基础材料。由于AlN具有键能大、原子扩散势垒高、位错形成能低和生长应力大等特点，目前制备大尺寸高质量AlN自支撑衬底仍是难题。本项目拟利用氢化物气相外延（HVPE）法具备的高生长速率和适合大尺寸单晶生长的优势，采用掩膜和侧向外延技术生长大尺寸AlN自支撑衬底。围绕上述思路，理论模拟与实验相结合，研究AlN厚膜制备过程中的应力起源及演变机理，解决HVPE快速生长过程中的应力控制问题；系统研究位错密度从1010cm-2降至106cm-2过程中, AlN外延层中的应变和缺陷演变机理，建立应变-缺陷耦合动力学模型；深入研究AlN中的深能级缺陷及其形成机理，探究降低其密度的有效途径；解决材料生长中的关键科学问题，掌握关键生长技术，获得位错密度为106cm-2的2英寸AlN自支撑衬底，为我国发展深紫外光电器件、高频大功率微波器件奠定基础。

氮化铝（AlN）及其合金的带隙覆盖了200-350紫外光谱范围，是一种理想的深紫外光电子器件制备材料。深紫外LED是近几年来迅速崛起的半导体光电器件，是汞灯的理想替代品，广泛地用于生物研究、污水处理以及医疗领域。此外，AlN也是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料，在无线通讯基站、相控阵雷达、毫米微米波功率微波器件领域具有重要的应用，已经成为国民经济发展中不可或缺的重要组成部分。然而，由于缺乏同质衬底材料，上述器件都生长在异质衬底，如蓝宝石、Si、SiC上，巨大的失配导致材料中存在很高的缺陷密度，严重制约了器件性能的进一步提升和新型器件的研发。因而开发高质量AlN衬底材料对发展第三代半导体产业至关重要。. 本项目利用氢化物气相外延（HVPE）法系统开展了AlN材料生长特性研究。深入研究了非平衡条件下HVPE生长AlN动力学过程研究。综合TEM、Raman、CL等微观测试手段，研究了HVPE生长AlN衬底材料过程中的应力、缺陷演变过程，以及应力、缺陷的相互调控机理。实验上首次发现AlN体材料中的孪晶结构和∑转晶现象。并采用孪晶的转向作用，实现了在（0001）极性AlN上面生长（10-11）半极性AlN材料。此结果提供了一种制备非极性材料的新思路和新方法，有助于解决目前非极性AlN材料制备难题，在实现缺陷和应力的可控生长技术基础上，成功获得了2英寸、高质量、AlN厚度超过5微米无裂纹的AlN/蓝宝石模板衬底材料，XRD（0002）和（10-12）半高宽本别在180和280 arcsec，在280 nm处紫外光的透过率达到80%，为深紫外发光器件性能提高和市场推广奠定了坚实的材料基础。. 此外，本项目采用自剥离技术和牺牲层技术，顺利实现了2英寸AlN自支撑衬底材料。位错密度在6.6×106cm-2，打破了国外对我国的贸易禁运和专利壁垒，为我国紫外光电子器件、高温大功率电子器件和高频微波器件的顺利研制提供了可靠的衬底材料。. 本项目的实施，在国内外重要杂志发表研究论文19篇，SCI收录15篇，国内国际会议作邀请报告5次，申请国家发明专利4项，培养研究生8名。