Crescimento de cristais de AlN pelo método PVT

A terceira geração de materiais semicondutores de banda larga, incluindo nitreto de gálio (GaN), carboneto de silício (SiC) e nitreto de alumínio (AlN), exibem excelentes propriedades elétricas, térmicas e acústico-ópticas. Esses materiais atendem às limitações da primeira e segunda geração de materiais semicondutores, avançando significativamente a indústria de semicondutores.

Atualmente, as tecnologias de preparação e aplicação paraSiCe GaN estão relativamente bem estabelecidos. Em contraste, a pesquisa sobre AlN, diamante e óxido de zinco (ZnO) ainda está em seus estágios iniciais. AlN é um semicondutor de bandgap direto com uma energia de bandgap de 6,2 eV. Possui alta condutividade térmica, resistividade, força de campo de ruptura e excelente estabilidade química e térmica. Consequentemente, o AlN não é apenas um material importante para aplicações de luz azul e ultravioleta, mas também serve como embalagem essencial, isolamento dielétrico e material de isolamento para dispositivos eletrônicos e circuitos integrados. É particularmente adequado para dispositivos de alta temperatura e alta potência.

Além disso, AlN e GaN apresentam boa correspondência térmica e compatibilidade química. AlN é frequentemente usado como substrato epitaxial de GaN, o que pode reduzir significativamente a densidade de defeitos em dispositivos GaN e melhorar seu desempenho. Devido ao seu potencial de aplicação promissor, pesquisadores em todo o mundo estão prestando atenção considerável à preparação de cristais de AlN de grande tamanho e alta qualidade.

Atualmente, os métodos de preparaçãoCristais de AlNincluem o método de solução, nitretação direta de metal de alumínio, epitaxia em fase de vapor de hidreto (HVPE) e transporte físico de vapor (PVT). Entre estes, o método PVT tornou-se a principal tecnologia para o cultivo de cristais de AlN devido à sua alta taxa de crescimento (até 500-1000 μm/h) e qualidade de cristal superior, com densidade de discordância inferior a 10^3 cm^-2.

Princípio e processo de crescimento de cristais de AlN pelo método PVT

O crescimento de cristais de AlN pelo método PVT é completado através das etapas de sublimação, transporte em fase gasosa e recristalização do pó bruto de AlN. A temperatura ambiente de crescimento chega a 2300 ℃. O princípio básico do crescimento de cristais de AlN pelo método PVT é relativamente simples, conforme mostrado na seguinte fórmula: 2AlN (s) =⥫⥬ 2Al (g) + N2 (g) (1)

As principais etapas do seu processo de crescimento são as seguintes: (1) sublimação do pó bruto de AlN; (2) transmissão de componentes de matéria-prima em fase gasosa; (3) adsorção de componentes da fase gasosa na superfície de crescimento; (4) difusão superficial e nucleação; (5) processo de dessorção [10]. Sob pressão atmosférica padrão, os cristais de AlN começam a se decompor lentamente em vapor de Al e nitrogênio por volta de 1700 °C. Quando a temperatura atinge 2.200 °C, a reação de decomposição do AlN se intensifica rapidamente. A Figura 1 é uma curva que mostra a relação entre a pressão parcial dos produtos da fase gasosa AlN e a temperatura ambiente. A área amarela na figura é a temperatura do processo dos cristais de AlN preparados pelo método PVT. A Figura 2 é um diagrama esquemático da estrutura do forno de crescimento de cristais de AlN preparados pelo método PVT.

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