氮化铝半导体简介.ppt

关于氮化铝半导体简介1.前言半导体材料的发展：1.第一代半导体：以Si，Ge半导体材料为代表；2.第二代半导体：以GaAs，InP半导体材料为代表；3.第三代半导体：以碳化硅（SiC），氮化镓（GaN），氧化锌（ZnO），金刚石和氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料，具有禁带宽度宽，击穿电场高，热导率高，电子饱和速率高以及抗辐射能力高等优点。从第三代半导体材料和器件研究发展现状来看，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料，其中SiC技术最为成熟，而ZnO、金刚石和AlN等宽禁带半导体材料的研究尚属起步阶段。第2页,共13页，2024年2月25日，星期天2.AlN半导体的结构与性质氮化铝（AlN）AlN的晶体结构1862年，Bfiegleb和Geuther利用熔融态Al与N2反应，第一次成功合成AlN化合物；AlN晶体具有稳定的六方纤锌矿结构，晶格常数a＝3.110?，c=4.978?；纯AlN晶体是无色透明的，但由于晶体中存在的杂质离子和本征缺陷，AlN晶体通常呈黄色或琥珀色；根据实验验证和理论推算，AlN在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中具有最大的直接带隙宽度，约6.2eV。第3页,共13页，2024年2月25日，星期天AlN的多种优异性能：1.禁带宽度6.2eV,并具有直接带隙,是重要的蓝光和紫外发光材料;2.热导率高,电阻率高,击穿场强大,介电系数小,是优异的高温、高频和大功率器件用电子材料;3.沿c轴取向的AlN具有非常好的压电性和声表面波高速传播性能,是优异的声表面波器件用压电材料;4.氮化铝晶体与氮化镓晶体有非常接近的晶格常数和热膨胀系数,是外延生长氮化镓基光电器件的优选衬底材料.2.AlN半导体的结构与性质第4页,共13页，2024年2月25日，星期天AlN与其他常用半导体材料特性对照表2.AlN半导体的结构与性质第5页,共13页，2024年2月25日，星期天3.AlN单晶的生长AlN晶体生长的发展历史：1.1956年，Kohn等第一次生长出AlN单晶，直径0.03mm，长度0.3mm；2.1976年，Slack和McNelly利用升华凝结法（sublimationrecondensation）成功生长出AlN晶锭；3.目前，实验室中已经生长出直径大于2英寸的AlN晶锭，但仍有许多需要解决。AlN晶体生长的难点：1.AlN晶体具有极高的熔点温度（~3500K）和较大的分解压，正常压力条件下，AlN在熔化前即会发生分解，因此无法从熔体中生长AlN晶体；2.AlN在高温下分解出的铝蒸汽很活泼，易腐蚀坩埚，需要选择耐高温、耐腐蚀的坩埚材料。第6页,共13页，2024年2月25日，星期天3.AlN单晶的生长AlN晶体的生长方法：（1）Directnitridationofaluminum（铝直接氮化法）1.1960年，Taylar和Lenie第一次利用Al和N2高温反应的方法制备AlN单晶，并成功制得直径0.5mm，长度30mm的AlN晶棒和直径2~3mm的AlN单晶薄片；2.Schlessre等通过在N2气氛中气化金属Al的方法，成功制得面积50mm2的AlN单晶薄片,反应温度2100oC,反应时间2hrs。第7页,共13页，2024年2月25日，星期天（2）Highnitrogenpressuresolutiongrowth（高氮气压溶液生长法）当压力大于500MPa时，Al与N2的高温燃烧反应速率减慢，这是因为N2在高压条件下具有较高的热导率和较大的热容，导致燃烧反应过程中的热量损失增加；当压力大于650MPa时，燃烧反应被完全终止；此外，高压条件下N2的密度较大，有利于减少Al的蒸发和扩散；基于上述机理，Bockowski等利用HNPSG法成功制得白色针状AlN单晶，直径1mm，长度10mm；实验方案：将N原子溶解到液态Al中，温度1800-2000K,N2压力2GPa；当溶液具有较高的过饱和度时，将得到纤锌矿结构的AlN单晶，但是过高的过饱和度将导致过高的生长速度，易得到中空针状结构的AlN单晶。3.AlN单晶的生长第8页,共13页，2024年2月25日，星期天（3）Hydridevaporphaseepitaxygrowth（氢化物气相外延生长法）1.Akasaki等第一次提出利用HVPE法制备AlN单晶，主要化学反应方程式：AlCl3(g)+NH3(g)一AlN(g)+3HCl(g)反应温度600-1100oC；2.对上述方法进行改进：以NH3和HCl作反应活性气体，Ar作承载气体，首先气态HCl与金属Al反应生成AICl3，然后生成