Crescita dei cristalli AlN mediante metodo PVT

La terza generazione di materiali semiconduttori ad ampio gap di banda, tra cui nitruro di gallio (GaN), carburo di silicio (SiC) e nitruro di alluminio (AlN), presentano eccellenti proprietà elettriche, termiche e acusto-ottiche. Questi materiali risolvono i limiti della prima e della seconda generazione di materiali semiconduttori, facendo avanzare significativamente l’industria dei semiconduttori.

Attualmente, le tecnologie di preparazione e applicazione perSiCe GaN sono relativamente ben consolidati. Al contrario, la ricerca su AlN, diamante e ossido di zinco (ZnO) è ancora nelle fasi iniziali. AlN è un semiconduttore con bandgap diretto con un'energia di bandgap di 6,2 eV. Vanta elevata conduttività termica, resistività, intensità del campo di rottura ed eccellente stabilità chimica e termica. Di conseguenza, l'AlN non è solo un materiale importante per le applicazioni con luce blu e ultravioletta, ma funge anche da imballaggio essenziale, isolamento dielettrico e materiale isolante per dispositivi elettronici e circuiti integrati. È particolarmente adatto per dispositivi ad alta temperatura e ad alta potenza.

Inoltre, AlN e GaN mostrano un buon adattamento termico e compatibilità chimica. L'AlN viene spesso utilizzato come substrato epitassiale GaN, che può ridurre significativamente la densità dei difetti nei dispositivi GaN e migliorarne le prestazioni. Grazie al suo promettente potenziale applicativo, i ricercatori di tutto il mondo stanno prestando particolare attenzione alla preparazione di cristalli AlN di grandi dimensioni e di alta qualità.

Attualmente, i metodi per la preparazioneCristalli AlNincludono il metodo della soluzione, la nitrurazione diretta del metallo dell'alluminio, l'epitassia in fase vapore di idruro (HVPE) e il trasporto fisico del vapore (PVT). Tra questi, il metodo PVT è diventato la tecnologia principale per la crescita dei cristalli AlN grazie al suo elevato tasso di crescita (fino a 500-1000 μm/h) e alla qualità dei cristalli superiore, con densità di dislocazione inferiore a 10^3 cm^-2.

Principio e processo di crescita dei cristalli AlN mediante metodo PVT

La crescita dei cristalli AlN mediante il metodo PVT viene completata attraverso le fasi di sublimazione, trasporto in fase gassosa e ricristallizzazione della polvere grezza AlN. La temperatura dell'ambiente di crescita arriva fino a 2300 ℃. Il principio di base della crescita dei cristalli AlN con il metodo PVT è relativamente semplice, come mostrato nella seguente formula: 2AlN (s) =⥫⥬ 2Al (g) + N2 (g) (1)

Le fasi principali del suo processo di crescita sono le seguenti: (1) sublimazione della polvere grezza AlN; (2) trasmissione di componenti in fase gassosa delle materie prime; (3) adsorbimento di componenti in fase gassosa sulla superficie di crescita; (4) diffusione superficiale e nucleazione; (5) processo di desorbimento [10]. Sotto la pressione atmosferica standard, i cristalli di AlN iniziano a decomporsi lentamente in vapore di Al e azoto a circa 1700 °C. Quando la temperatura raggiunge i 2200 °C, la reazione di decomposizione dell'AlN si intensifica rapidamente. La Figura 1 è una curva che mostra la relazione tra la pressione parziale dei prodotti in fase gassosa AlN e la temperatura ambiente. L'area gialla nella figura è la temperatura di processo dei cristalli AlN preparati con il metodo PVT. La Figura 2 è un diagramma schematico della struttura del forno di crescita dei cristalli AlN preparati con il metodo PVT.

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