Croissance de cristaux d'AlN par méthode PVT

La troisième génération de matériaux semi-conducteurs à large bande interdite, notamment le nitrure de gallium (GaN), le carbure de silicium (SiC) et le nitrure d'aluminium (AlN), présente d'excellentes propriétés électriques, thermiques et acousto-optiques. Ces matériaux répondent aux limites de la première et de la deuxième génération de matériaux semi-conducteurs, faisant ainsi progresser considérablement l'industrie des semi-conducteurs.

Actuellement, les technologies de préparation et d'application pourSiCet GaN sont relativement bien établis. En revanche, la recherche sur l’AlN, le diamant et l’oxyde de zinc (ZnO) en est encore à ses débuts. L'AlN est un semi-conducteur à bande interdite directe avec une énergie de bande interdite de 6,2 eV. Il présente une conductivité thermique, une résistivité, une intensité de champ de claquage élevées et une excellente stabilité chimique et thermique. Par conséquent, l’AlN n’est pas seulement un matériau important pour les applications de lumière bleue et ultraviolette, mais sert également de matériau essentiel d’emballage, d’isolation diélectrique et d’isolation pour les appareils électroniques et les circuits intégrés. Il est particulièrement adapté aux appareils à haute température et à forte puissance.

De plus, AlN et GaN présentent une bonne adaptation thermique et une bonne compatibilité chimique. L'AlN est souvent utilisé comme substrat épitaxial GaN, ce qui peut réduire considérablement la densité des défauts dans les dispositifs GaN et améliorer leurs performances. En raison de son potentiel d’application prometteur, les chercheurs du monde entier accordent une attention considérable à la préparation de cristaux d’AlN de grande taille et de haute qualité.

Actuellement, les méthodes de préparationCristaux d'AlNcomprennent la méthode en solution, la nitruration directe de l'aluminium métallique, l'épitaxie en phase vapeur d'hydrure (HVPE) et le transport physique de vapeur (PVT). Parmi celles-ci, la méthode PVT est devenue la technologie dominante pour la croissance de cristaux d'AlN en raison de son taux de croissance élevé (jusqu'à 500-1 000 μm/h) et de sa qualité cristalline supérieure, avec une densité de dislocation inférieure à 10^3 cm^-2.

Principe et processus de croissance des cristaux d'AlN par méthode PVT

La croissance des cristaux d’AlN par la méthode PVT est complétée par les étapes de sublimation, de transport en phase gazeuse et de recristallisation de la poudre brute d’AlN. La température de l’environnement de croissance atteint 2 300 ℃. Le principe de base de la croissance cristalline d'AlN par la méthode PVT est relativement simple, comme le montre la formule suivante : 2AlN (s) =⥫⥬ 2Al (g) + N2 (g) (1)

Les principales étapes de son processus de croissance sont les suivantes : (1) sublimation de la poudre brute d’AlN ; (2) transmission de composants en phase gazeuse de matières premières ; (3) adsorption des composants en phase gazeuse sur la surface de croissance ; (4) diffusion en surface et nucléation ; (5) processus de désorption [10]. Sous pression atmosphérique standard, les cristaux d’AlN commencent à se décomposer lentement en vapeur d’Al et en azote à environ 1 700 °C. Lorsque la température atteint 2 200 °C, la réaction de décomposition de l’AlN s’intensifie rapidement. La figure 1 est une courbe montrant la relation entre la pression partielle des produits en phase gazeuse AlN et la température ambiante. La zone jaune sur la figure représente la température de traitement des cristaux d'AlN préparés par la méthode PVT. La figure 2 est un diagramme schématique de la structure du four de croissance de cristaux d'AlN préparés par la méthode PVT.

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