非极性面AlN衬底材料的HVPE制备及缺陷控制机理研究

Deep ultraviolet optoelectronic devices have great potential in civil and national defense applications. The development of such high-performance devices requires the high crystal quality and rational quantum structure to avoid the influence of the strong polarization electric field along [0001]. As a result, it urgently needs to develop high quality nonpolar AlN substrate. The proposed project will use home-made high-temperature hydride vapor phase epitaxy (HVPE) to grow large size nonpoler AlN substrate. The special mask, etching 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 anisotropic stress in nonpolar AlN thick epilayer will be studied deeply to control the strain during the high-speed HVPE growth. The origin and development of structural defects will be studied systematically and the effective method to decrease the defects will be developed. On this base, the optical and electrical properties will be studied deeply and their correlations with structural defects will be disclosed. From this reaserch, the critical scientific problems and growth techniques of nonpolar AlN substrate will be understood deeply. On these basis, the project will be accomplished and the high-quality nonpolar AlN substrate will be fabricated, which will give great support for the development of deep ultraviolet optoelectronic and high-frenquency high-power microwave devices of our country.

深紫外光电子器件在民用和国防安全等方面具有巨大的应用前景。开发高性能深紫外光电子器件要求进一步降低材料中缺陷密度、器件的量子结构设计尽可能克服自发极化电场和压电极化电场带来的负面影响。因而对发展非极性面的高质量同质AlN衬底提出了迫切需求。本项目拟利用自主研发的高温氢化物气相外延（HVPE）设备，采用掩膜、刻蚀技术和侧向外延技术制备大尺寸非极性面AlN同质衬底材料。围绕上述目标，理论模拟与实验相结合，研究非极性面AlN衬底在制备过程中的各向异性应力的起源及演变机理，实现应力可控生长；系统研究非极性材料中的结构缺陷的产生和演变机理，探索降低结构缺陷密度的有效途径；探究非极性AlN材料中的光电特性，深入揭示其与结构缺陷的关联关系。掌握非极性材料生长的关键技术，制备出高质量非极性AlN衬底材料，为我国发展深紫外光电子器件、高频大功率微波器件奠定基础。

AlN及其合金具有较宽的帯隙、高热导率和高电阻率等优异性能，是一种制备深紫外光电器件、高温大功率电子器件和高频微波器件的理想半导体材料，在国防安全和民用领域都具有极其重要的应用前景。AlN材料体内部沿 [0001] 方向具有较强的极化电场，这种极化电场对光电子器件的危害极大，导致光电子器件有源区的能带弯曲、倾斜，引起能级位置的变化。消除极化效应对器件发光的影响，最有效的方法就是制备非极性面晶体材料。本课题针对这一需求，开展高温HVPE制备非极性AlN的研究。首先系统开展了非极性AlN材料生长特性的理论研究，采用第一性原理计算了Al吸附原子在不同极性生长晶面生长动力力学过程，系统研究非极性材料中的结构缺陷的产生和演变机理，探索降低结构缺陷密度的有效途径。与此同时，采用掩膜、刻蚀技术和侧向外延技术在SiC衬底上通过控制初始生长模式，构筑不同孪晶结构，利用孪晶的转向作用在极性AlN材料上制备了大面积的半极性AlN材料。本项目同时开展了在r面蓝宝石衬底和AlN同质衬底上外延生长非极性材料的生长工作，研究了异质外延和同质外延过程中的各向异性生长的起源和生长模式的演变。采用TEM、Raman等测试手段研究了材料中的光谱特性与材料各项异性的关联关系，并系统研究非极性材料中的层错和位错的产生、演变及它们的相互作用。通过同质外延，获得了高质量的非极性AlN同质外延材料，层错密度在8.5×103 cm-1，位错密度在106 cm-2。本研究结果，有助于开发具有自主知识产权的非极性AlN衬底材料，并占领国际研究前沿，有力支撑我国在深紫外光电器件领域的快速发展进程，在国际竞争中占领制高点。