AlN退火过程中的微观晶体结构研究

The application and research of III-nitrides in ultraviolet light-emitting diode (UV-LED) has attracted tremendous attention. High-quality AlN is a promising substrate for preparing UV-LED and epitaxial GaN, and reducing dislocation density of active layer can effectively improve the internal quantum efficiency and transmit power of the UV-LED. It is critical to improve the crystal quality of AlN on sapphire for UV-LED applications. Compared with conventional optimized growth processes, high temperature annealing is an effective method for improving the quality of AlN with high efficiency, low cost and simple process. This proposal will focus on the growth of AlN by MOCVD, MBE and sputter. Subsequently, annealing of AlN at high temperature and atmosphere conditions. At last, analysis of crystal microstructure by transmission electron microscopy (TEM) for annealed and unannealed AlN. For the purpose of analyzing the mechanism of improving crystal quality by annealing process. From the point of dislocation, polarity reversal, AlN and sapphire interface, columnar grain size and orientation consistency. And then find the key factors to reveal the reason of dislocation annihilation in AlN under annealing, which can provide theoretical guidance for high quality annealed AlN films.

III族氮化物在紫外发光二极管（UV-LED）方面的应用和研究引起了广泛的关注，高质量的AlN是制备UV-LED、外延高质量GaN的理想衬底，降低位错密度能有效提高UV-LED的内量子效率和发射功率,因此提高面向UV-LED应用的蓝宝石上AlN薄膜的晶体质量至关重要。相比常规优化生长工艺外延AlN，近年来发展的高温退火是一种提升AlN晶体质量的有效方法，该方法具有效率高，成本低，工艺简单等优点，但高温退火对AlN晶体质量改善的物理机制尚不清楚。本课题将利用MOCVD、MBE和sputter设备外延生长AlN薄膜；在一定温度和气氛条件下对AlN进行高温退火处理；通过透射电子显微镜（TEM）分析退火前后微观结构上的差异，研究退火对晶体质量改善的机理。从位错、极性反转，AlN与蓝宝石的界面、晶粒尺寸以及取向一致性等方面探寻高温退火对薄膜位错湮灭的微观机制，为获得高质量AlN薄膜提供理论指导。

高质量AlN衬底对外延高效紫外发光二极管（UV-LED）和GaN基电力电子器件起到了非常关键的作用。低位错密度衬底可以有效提高器件的效率，改善寿命和可靠性。低成本、高透光性蓝宝石基底上高质量AlN外延衬底的制备技术显得尤为重要，由于传统侧向外延技术需要通过生长较厚的薄膜来实现理想的形貌和晶体质量，增加了工艺的复杂性和成本。蓝宝石上直接外延AlN具有较高的位错密度，面对面退火成功提高了AlN薄膜的晶体质量，为高质量低成本AlN衬底的获取提供了一条可行的途径。其中退火形成高质量AlN外延薄膜的机理研究显得尤为重要。本项目主要研究高质量AlN退火相关的晶体结构研究，为高质量退火AlN薄膜奠定重要的基础。取得的重要成果包括：对退火AlN进行详细的结构表征，获得了4英寸高质量低密度裂纹AlN模板；利用原位透射电子显微镜实时观察sputter AlN退火晶体质量改善的动态过程；研究了AlN/Al2O3界面的原子排列和应力调控机制;在退火AlN薄膜中观察到了N-AlN→Al-AlN→N-AlN→Al-AlN转变现象。对退火AlN中的物理过程以及成键机制的详细研究为高质量AlN薄膜的制备提供了重要的指导，大力推动了未来大尺寸、低成本AlN衬底的制备，为高质量器件的制备提供了保障。