本文基于自主设计的氮化铝生长炉，开展了四组不同工艺条件下Al极性面氮化铝籽晶同质外延生长氮化铝单晶的生长特征及其结晶质量表征研究。研究发现：不同工艺条件下生长的晶体的拉曼图谱E2(high)特征峰峰位表明，晶体内部均存在较小的拉应力；在坩埚顶部在相对较高温度2 210 ℃、坩埚底部与顶部温差42 ℃的低过饱和度生长条件下，晶体表面光滑，呈现阶梯流生长形貌，并具有典型的氮化铝单晶生长习性面，晶体初始扩张角大于40°，高分辨率X射线衍射(HRXRD)测得0002、1012反射摇摆曲线及拉曼光谱检测结果表明，该条件下生长的氮化铝晶体结晶质量优异，并可实现快速扩径。基于该生长条件，通过外延生长后成功获得尺寸45~47 mm的氮化铝单晶锭，相关表征结果表明生长的氮化铝晶体具有优越的结晶性能。

借助专业晶体生长模拟软件FEMAG和自主开发的对流、传质、过饱和度及生长速率预测等有限元模块研究了物理气相传输法(PVT)同质外延生长氮化铝(AlN)单晶工艺时的初始传热及传质过程，并分析了不同形状籽晶台对生长室内的温度场、流场、过饱和度及生长速率的影响。温度场模拟结果表明籽晶台侧部角度改变可影响籽晶表面轴向及径向温度梯度，流场及传质模拟表明籽晶台侧部角度变化对籽晶台周边的传质有巨大影响。传质及过饱和度模拟结果表明，当籽晶台侧部角度为130°时，籽晶表面温度梯度较小且可以完全抑制籽晶台侧部多晶沉积，有利于通过同质外延工艺生长出无寄生、无裂纹的高质量氮化铝单晶锭。

采用直流反应磁控溅射与高温退火工艺大批量制备了膜厚为200 nm、400 nm及800 nm的2英寸蓝宝石基氮化铝模板, 并对高温退火前后不同膜厚模板使用各种表征手段进行对比分析。结果表明: 采用磁控溅射制备膜厚为200 nm的模板经高温退火后晶体质量得到显著提升, 退火前后整片(0002)面和(10-12)面高分辨率X射线衍射摇摆曲线半高宽分别从632~658 arcsec和2 580~2 734 arcsec下降至70.9~84.5 arcsec和273.6~341.6 arcsec; 模板5 μm×5 μm区域内均方根粗糙度小于1 nm; 紫外波段260~280 nm吸收系数为14~20 cm-1; 高温退火前后拉曼图谱E2(high)声子模特征峰半高宽从13.5 cm-1降至5.2 cm-1, 峰位从656.6 cm-1移动至657.6 cm-1, 表明氮化铝模板内的拉应力经高温退火后得到释放, 接近无应力状态。

采用物理气相传输(PVT)法在AlN原料表面自发生长出大量毫米级尺寸的AlN单晶。本文对该工艺下AlN单晶的自然形貌、极性、杂质含量等进行了分析。实验及分析结果表明,在实验工艺条件下,原料表面生长的AlN晶粒具有规则的六方外形,晶粒沿C向择优生长且具有高的生长速率(约200~250 μm/h),但径向生长受限于{10-10}(m面)。不同颜色的AlN晶粒经机械切割及化学机械抛光(CMP)后,形成高表面质量的C轴取向抛光片。通过化学湿法腐蚀和SEM表征发现,淡黄色晶粒为Al极性晶体,暗棕色晶粒为N极性晶体,淡黄-暗棕混合色晶粒为Al/N混合极性晶体,其内部可以观察到清晰的两种极性分界。通过GDMS与EGA对不同颜色晶粒内部的主要杂质元素含量进行了分析,结果表明,淡黄色晶粒内氧元素的含量相比暗棕色晶粒的含量低,而碳含量则相反。

氮化铝(AlN)具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率(340 W/(m·℃))、高击穿场强(11.7 MV/cm)、良好的紫外透过率、高化学和热稳定性等优异性能,是氮化镓基(GaN)高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底材料。物理气相传输(PVT)法是制备大尺寸高质量AlN单晶最有前途的方法。本文介绍了AlN单晶的晶体结构、基本性质及PVT法生长AlN晶体的原理与生长习性。基于AlN单晶PVT生长策略,综述了自发形核工艺、同质外延工艺及异质外延工艺的研究历程,各生长策略的优缺点及其最新进展。最后对PVT法生长AlN单晶的发展趋势及其面临的挑战进行了简要展望。

使用FEMAG晶体生长模拟仿真软件以及自主开发的PVT法有限元传质模块对全自动、双电阻加热物理气相沉积炉开展了AlN晶体生长工艺过程中不同坩埚埚位对温度场、过饱和度场及烧结体升华速率等影响的模拟仿真分析研究。模拟仿真结果表明: 在给定工艺条件下, 坩埚埚位较低时烧结体温度较高且内部温差较小, 烧结体升华表面存在较大的Al蒸气分压梯度, 各表面升华速率较快且均匀, 籽晶衬底生长前沿温度场呈微凸分布, 有利于晶体扩径及生长高质量晶体。随着坩埚埚位的上升, 低温区向坩埚壁扩展, 预烧结体内轴向及径向温度梯度增加, 籽晶衬底附近径向温度梯度逐步降低, 过饱和度区域扩大且增强。在坩埚埚位较高情况下, 坩埚内原料升华变得不均匀, 坩埚侧壁存在高过饱和区域, 极易在坩埚壁上发生大量的AlN多晶沉积。模拟分析结果与大量实际晶体生长实验后的坩埚壁处沉积现象及剩余烧结体原料形态相符, 较好地验证了模拟仿真分析结果的准确性。

AlN晶体中的氧杂质会严重影响晶体性能。因此, 氧含量的控制一直是AlN晶体生长工艺中的热点和难点。为了减少AlN晶体中的氧杂质含量, 通常在长晶之前使用粉料高温烧结工艺去除大部分的氧杂质。使用XRD及EGA等检测方法, 对不同烧结工艺下AlN烧结过程中坩埚盖处的氧杂质沉积行为及其规律进行了对比研究。研究发现, 使用低温(900~1100℃)真空保温与1500℃的氮气保护下保温相结合的方法可以极大促进氧杂质在坩埚盖处的前期沉积。在氮气保护环境下进一步提升烧结温度至2000~2100℃并经过一段时间的保温后, 坩埚盖沉积物表面会出现黄褐色AlN结晶层, 相应的检测结果表明此阶段坩埚盖处的氧杂质大量挥发, 沉积过程已经基本结束。