基于耦合机制的AlN 晶体生长速率模型

郭 森,张 丽

(中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220)

AlN 晶体是超宽禁带半导体材料中重要的一员,具有高电阻率、高热导率、高声波速率等优良特性,在微电子、光电子领域具有十分广阔的应用前景[1-3]。AlN 晶体材料与GaN、AlxGa1-xN 材料的晶格结构相同,热膨胀系数相近,是高铝组分AlxGa1-xN 基外延材料最理想的衬底材料。目前,AlN 晶体的最主流生长方法是物理气相传输法,简称PVT 法[4-8]。PVT 法生长AlN 晶体的过程涉及到以下几个步骤:AlN 多晶源的分解;Al 和N2气体组分输运至衬底;Al 和N2在衬底表面的化合。其中,AlN 多晶源的分解以及Al 和N2在衬底表面的化合涉及到的是热力学问题。Al 和N2气体组分从多晶源的表面输运到衬底的过程和气体组分在衬底表面的吸附、解吸和运输过程是动力学过程。AlN 晶体生长动力学过程比较抽象,建立一个生长模型可以加深对生长动力学过程的理解。由于生长速率是晶体生长动力学的一个外在体现,晶体生长速率模型的建立可以指导晶体生长实验。

Dryburgh 等[9]最先提出了升华法生长AlN 晶体的模型,他们预测了当气相组成符合化学计量比时AlN晶体的最大生长速率。Liu 和Edgar 等[10]发展了AlN晶体生长速率的预测模型,认为在多晶源和籽晶界面上不存在吸附或成核壁垒的现象。Segal 和Karpov等[11]提出了升华法生长AlN 晶体的一维模型,解释了对流和扩散物质传输以及AlN 表面的N2吸附、解吸附的概率问题。Gao 等[12]通过多晶源区Ⅲ和Ⅴ族物质的扩散和化学计量比的升华,区分了从多晶源到籽晶的Al 和N2的两种传输机制,并预测了生长速率随温度和压力的变化规律。……