氮化铝半导体简介
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氮化铝（AlN）半导体
梁龙跃 201411922
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。
2.AlN半导体的结构与性质
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.
3.AlN单晶的生长
对坩埚材料的要求： 熔点要高于2500oC; 不能与Al,N,C等形成低温共熔体； 不与Al蒸汽和N2反应； 蒸气压要远远低于Al与N2形成AlN的蒸气压； 综上所述，钨是生长AlN单晶最理想的坩埚材料。 加热系统： 石墨或钨加热元件，或者微波加热； 利用PVT法，成功制得2×3mm2的AlN薄片和直径1mm，长度3mm 的针状AlN晶棒。
2.AlN半导体的结构与性质
AlN与其他常用半导体材料特性对照表
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（sublimation recondensation）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。
3.AlN单晶的生长
AlN晶体的生长方法： （1）Direct nitridation of aluminum（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。
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。
2.AlN半导体ຫໍສະໝຸດ Baidu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＝3.110Å，c=4.978Å；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。
HCl(g)+Al(l)一AlCl(g) ， A1Cl(g)+NH3(g)一AlN(s)+HCl(g)+H2(g) 通过上述方法，分别在SiC衬底和蓝宝石衬底上制得厚度75mm和20mm的AlN 晶片，直径2英寸； HVPE法的突出优点是其生长速度快，可达到100mm/h，大约是与金属有机气 相沉积法和分子束气相外延法的100倍。
4.AlN薄膜的制备
AlN薄膜生长技术： 1.溅射法 以N2 为反应气体, 用Ar 稀释载入反应腔体, 以高纯Al 为溅射靶, 反应形成AlN 薄 膜。工作气压、氮气浓度、溅射功率和衬底温度及种类等参数对薄膜的结晶取 向和表面形貌影响很大。 2.PLD PLD(脉冲准分子激光沉积)法具有沉积温度低, 生长速率高以及保持薄膜与靶 成分一致等优点, 特别适合多组分化合物薄膜。PLD 制备AlN薄膜一般有两种方 法:(1)直接剥离烧结AlN陶瓷靶, (2)在N2 或NH3 气氛下剥离纯Al 靶反应生成。
3.AlN单晶的生长
（2）High nitrogen pressure solution growth（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
（4）Physical vapor transport growth（物理气相传输生长法） PVT法又被称为sublimation recondensation法，是生长AlN单晶最成功的方法；
反应过程：AlN粉末首先在温度较高的坩埚底部 被加热升华，成为气相AlN或者Al和N2；然后， 经过气相传输到达温度较低的坩埚顶部，在N2气 氛下重结晶，生成AlN单晶； 反应温度：AlN的升华温度约是1800oC，但是为 了获得较大的生长速率（>200mm/h）和高质量的 AlN单晶，反应温度必须高于2100oC，但要低于 2500oC，因为此时Al的蒸气压达到1atm。
5.AlN半导体的研究现状
国内外研究进展（-2010年）：
美国：2002年启动“半导体紫外光源”研究计划；美国TDI公司是目前完全掌握 HVPE (氢化物气相外延)法制备AlN基片技术，并实现产业化的唯一单位。TDI的AlN基 片是在（0001）的SiC或蓝宝石衬底上淀积10-30微米的电绝缘AlN层，主要用作低缺陷 电绝缘衬底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT，目前已经有2,3,4,6英寸产品。 日本：2004年启动“高效率紫外发光半导体”研究计划，目前最好成果是直径为毫米 级AlN单晶，还没有成熟的产品出现。 国内关于氮化铝晶体的研究刚起步，一些科研单位在AlN MOCVD（金属有机气相沉 积）外延生长方面也有了初步的探索，但都没有明显的突破及成果。
3.AlN单晶的生长
（3）Hydride vapor phase epitaxy growth（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，然后生成的AICl3再与NH3反应生成AlN,主要化 学反应方程式：
梁龙跃 201411922
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。
2.AlN半导体的结构与性质
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.
3.AlN单晶的生长
对坩埚材料的要求： 熔点要高于2500oC; 不能与Al,N,C等形成低温共熔体； 不与Al蒸汽和N2反应； 蒸气压要远远低于Al与N2形成AlN的蒸气压； 综上所述，钨是生长AlN单晶最理想的坩埚材料。 加热系统： 石墨或钨加热元件，或者微波加热； 利用PVT法，成功制得2×3mm2的AlN薄片和直径1mm，长度3mm 的针状AlN晶棒。
2.AlN半导体的结构与性质
AlN与其他常用半导体材料特性对照表
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（sublimation recondensation）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。
3.AlN单晶的生长
AlN晶体的生长方法： （1）Direct nitridation of aluminum（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。
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。
2.AlN半导体ຫໍສະໝຸດ Baidu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＝3.110Å，c=4.978Å；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。
HCl(g)+Al(l)一AlCl(g) ， A1Cl(g)+NH3(g)一AlN(s)+HCl(g)+H2(g) 通过上述方法，分别在SiC衬底和蓝宝石衬底上制得厚度75mm和20mm的AlN 晶片，直径2英寸； HVPE法的突出优点是其生长速度快，可达到100mm/h，大约是与金属有机气 相沉积法和分子束气相外延法的100倍。
4.AlN薄膜的制备
AlN薄膜生长技术： 1.溅射法 以N2 为反应气体, 用Ar 稀释载入反应腔体, 以高纯Al 为溅射靶, 反应形成AlN 薄 膜。工作气压、氮气浓度、溅射功率和衬底温度及种类等参数对薄膜的结晶取 向和表面形貌影响很大。 2.PLD PLD(脉冲准分子激光沉积)法具有沉积温度低, 生长速率高以及保持薄膜与靶 成分一致等优点, 特别适合多组分化合物薄膜。PLD 制备AlN薄膜一般有两种方 法:(1)直接剥离烧结AlN陶瓷靶, (2)在N2 或NH3 气氛下剥离纯Al 靶反应生成。
3.AlN单晶的生长
（2）High nitrogen pressure solution growth（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
（4）Physical vapor transport growth（物理气相传输生长法） PVT法又被称为sublimation recondensation法，是生长AlN单晶最成功的方法；
反应过程：AlN粉末首先在温度较高的坩埚底部 被加热升华，成为气相AlN或者Al和N2；然后， 经过气相传输到达温度较低的坩埚顶部，在N2气 氛下重结晶，生成AlN单晶； 反应温度：AlN的升华温度约是1800oC，但是为 了获得较大的生长速率（>200mm/h）和高质量的 AlN单晶，反应温度必须高于2100oC，但要低于 2500oC，因为此时Al的蒸气压达到1atm。
5.AlN半导体的研究现状
国内外研究进展（-2010年）：
美国：2002年启动“半导体紫外光源”研究计划；美国TDI公司是目前完全掌握 HVPE (氢化物气相外延)法制备AlN基片技术，并实现产业化的唯一单位。TDI的AlN基 片是在（0001）的SiC或蓝宝石衬底上淀积10-30微米的电绝缘AlN层，主要用作低缺陷 电绝缘衬底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT，目前已经有2,3,4,6英寸产品。 日本：2004年启动“高效率紫外发光半导体”研究计划，目前最好成果是直径为毫米 级AlN单晶，还没有成熟的产品出现。 国内关于氮化铝晶体的研究刚起步，一些科研单位在AlN MOCVD（金属有机气相沉 积）外延生长方面也有了初步的探索，但都没有明显的突破及成果。
3.AlN单晶的生长
（3）Hydride vapor phase epitaxy growth（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，然后生成的AICl3再与NH3反应生成AlN,主要化 学反应方程式：