助熔剂法生长AlN单晶研究

The preparation of AlN single crystal substrate has become the strategic high point for the future development of the third-generation semiconductor technology. This project will break through the preparation of AlN single crystal with low dislocation density. Flux method is one kind of methods of crystal growth from the liquid phase, and it has been successfully used in various crystal growth. This project intends to grow AlN crystals by flux method. The new flux systems (such as Sr - Al - N, Ge - Al - N, etc.) will be explored. It will be investigated that the influence law of the solubility of AlN in the flux solution with temperature change. The influence of the growth temperature, temperature gradient, seed crystal, atmosphere, pressure and other growth conditions on the crystal nucleation and growth rate will be investigated. The evolution mechanism of the defects during the AlN crystals growth process will be investigated. The influence of the impurity, dislocation defects in AlN crystals on the basic physical properties will be investigated also. The growth process by which the defect in AlN crystals could be inhibited will be developed. High quality AlN crystals will be obtained.

AlN单晶衬底制备已经成为第三代半导体技术未来发展的战略制高点，本项目将突破低位错密度AlN单晶的生长制备难题。助熔剂法是从液相生长晶体的一种方法，已成功用于多种晶体生长。本项目拟采用助熔剂法生长AlN晶体，探索新的助熔剂体系（如Sr-Al-N, Ge-Al-N等），研究助熔剂对AlN在溶体中溶解度随温度变化的规律，研究生长温度、温度梯度、籽晶、气氛、压力等生长条件对晶体成核、生长速率等的影响规律，研究AlN晶体生长过程中缺陷演变机理，研究AlN晶体中杂质、位错缺陷等对基本物理性能的影响，开发出抑制晶体缺陷的生长工艺，生长出高质量AlN晶体。

AlN具有宽带隙（6.2eV）、高激子结合能（80meV）、高临界击穿场强、高热导率、高温热稳定性等很多优异的性质，在制作高温、高频、高功率电子器件和紫外发光/激光二极管、日盲探测器等方面具有很好的应用前景。目前，AlN单晶衬底制备技术尚不成熟，制约了AlN器件的制备和应用。.AlN单晶生长目前广泛被采用的方法是PVT法，但该方法存在许多技术困境，比如原料缩颈、扩径困难、生长速度缓慢、二次形核等。利用助熔剂法可以在相对低的的温度和压力下实现AlN晶体液相法生长。液相法生长是一个热力学平衡过程，生长得到的晶体质量较高。此外，液相法扩径容易实现，有望生长出大尺寸AlN晶体。.助熔剂法最关键的科学问题是找到合适的助熔剂，提高AlN在熔体中的溶解度。本项目对Cu-Al-Ce助溶剂体系中AlN晶体在Ta坩埚中的自发形核生长进行了系统的研究，通过对不同温度，不同时间和不同助溶剂配比下生长的氮化铝晶体进行分析对比，优化生长参数，最终得到了厘米级的氮化铝晶柱。较为理想的生长温度为1600℃~1800℃，常压氮气环境下，助溶剂摩尔比为Cu：Al：Ce=62：28：10；探索了Ca3N2-Cu-AlN体系中AlN晶体生长规律，通过对不同温度，不同助熔剂比例下AlN晶体的生长习性和结晶质量分析，优化了生长参数，揭示了晶体生长机理；探索了AlN陶瓷坩埚对液相法AlN晶体生长的影响，同时将助溶剂体系更换为Ni-Cr等体系，通过对生长参数的不断优化，在1500℃-1700℃生长温度下，生长出了AlN多晶片，发明了利用AlN陶瓷坩埚进行液相法生长AlN晶体的技术；采用Cu-Cr助熔剂体系生长出了高质量六方氮化硼（hBN）晶体，并成功制备出深紫外日盲探测器。项目研究为液相法生长大尺寸、高质量AlN单晶奠定了基础。