氮化鋁(AlN)由于其高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的介電性能和高化學(xué)穩(wěn)定性，經(jīng)常被用作電子封裝和散熱器。此外，氮化鋁由于其室溫下6.0電子伏的直接寬帶隙和壓電性，最近被認(rèn)為是一種光電材料。為了開(kāi)發(fā)節(jié)能裝置，基于氮化鋁的深紫外發(fā)光裝置 、高電子遷移率晶體管  、傳感器等已經(jīng)被利用了。目前，有兩種主要的氮化鋁體晶體生長(zhǎng)技術(shù):氫化物氣相外延(HVPE)18–21和升華22–27。雖然這些方法有所進(jìn)步，但它們?nèi)匀挥芯窒扌浴?/span>

     在這里，我們提出了一種新的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的生長(zhǎng)氮化鋁僅使用元素鋁和N2氣體作為源前驅(qū)體。 我們采用藍(lán)寶石襯底上的異質(zhì)外延作為成核方法，因?yàn)檫@項(xiàng)研究證明了AlN生長(zhǎng)的概念驗(yàn)證，為此目的，異質(zhì)外延比同質(zhì)外延更容易且更具成本效益。

       如圖所示 1b . 臥式反應(yīng)器有兩個(gè)溫度區(qū):一個(gè)用于產(chǎn)生鋁蒸汽，另一個(gè)用于生長(zhǎng)氮化鋁。這些區(qū)域可以在不同的溫度下運(yùn)行。此外，源區(qū)被分成上通道和下通道。引入下部通道的惰性氬(氬)氣體將熱產(chǎn)生的鋁蒸汽轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)區(qū)。另一方面，N2被供應(yīng)到上部通道中，以避免在到達(dá)襯底之前與鋁蒸汽過(guò)早反應(yīng)。這些氣體在放置襯底的生長(zhǎng)區(qū)結(jié)合在一起。這種生長(zhǎng)技術(shù)能夠連續(xù)供應(yīng)鋁蒸汽而不形成氮化鋁外殼，允許晶體生長(zhǎng)以給定的生長(zhǎng)速率進(jìn)行。圖1c顯示了操作中的生長(zhǎng)裝置的照片。

證實(shí)了鋁和N2之間的反應(yīng)性

      通過(guò)能量色散x射線光譜進(jìn)行的成分分析顯示，大部分粉末是純氮化鋁，但有些是氮化鋁殼/鋁芯復(fù)合材料，這很可能是由于粉末上形成了氮化鋁外殼(補(bǔ)充信息)。合成的氮化鋁粉末的光學(xué)特性在補(bǔ)充信息中描述。簡(jiǎn)而言之，每個(gè)氮化鋁粉末的陰極射線發(fā)光在室溫下約360納米處顯示出寬而強(qiáng)烈的發(fā)射，這表明氮化鋁可能具有作為近紫外磷光體的誘人特征。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果鼓勵(lì)我們用圖1所示的生長(zhǎng)裝置來(lái)生長(zhǎng)氮化鋁單晶。

來(lái)自鋁和N2的厚氮化鋁單晶的生長(zhǎng)和表征

      圖2c顯示了相同氮化鋁表面的光學(xué)顯微鏡圖像。通常，藍(lán)寶石(0001)上厚度大于1微米的氮化鋁薄膜會(huì)出現(xiàn)裂紋34、35，這是由于熱膨脹失配引起的氮化鋁拉伸應(yīng)變。然而，裂紋并不存在于我們的氮化鋁中，即使它有18微米厚。為了更好地理解這個(gè)觀察，圖3d顯示了氮化鋁/藍(lán)寶石界面的放大掃描電鏡圖像，其中觀察到許多尺寸為幾百納米的空隙。另一方面，在共負(fù)載的6H-碳化硅(0001)襯底上生長(zhǎng)的氮化鋁中，不存在這種界面空隙(圖。3e)。有趣的是，在6H-SiC上的氮化鋁中形成了許多裂紋。同樣，藍(lán)寶石上的MOVPE AlN包含裂紋，但不包含空隙。這些研究結(jié)果使我們得出結(jié)論，界面空隙起到了(拉伸)應(yīng)變吸收器的作用，防止了裂紋的產(chǎn)生。

     圖3d顯示了AlN對(duì)稱(0002)和非對(duì)稱(1102)衍射的ω掃描輪廓，其FWHMs分別為290和291弧秒。根據(jù)這些值，可以使用方程N(yùn) = FWHM2/4.35|b|2來(lái)估計(jì)螺旋和邊緣位錯(cuò)密度(N)，其中b是相應(yīng)位錯(cuò)的Burgers矢量37.對(duì)于螺旋位錯(cuò)，b = [0001]和傾斜分量的FWHM[即，。(0002) FWHM]必須使用。對(duì)于邊緣位錯(cuò)，必須使用扭曲分量的b = 1/3 < >1120和FWHM，其由(FWHM(1102))2 =(FWHMtiltcosχ)2+(FWHMtwist sinχ)2確定。這里χ是(0001)和(1102)平面之間的角度。估算的螺位錯(cuò)密度和刃位錯(cuò)密度分別為1.8 × 108和4.7 × 108 /cm2。值得注意的是，對(duì)于藍(lán)寶石上的氮化鋁或碳化硅上的氮化鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)，總位錯(cuò)密度是所有報(bào)道值中最低的之一，證明了我們提出的方法的優(yōu)越性。

     盡管將來(lái)應(yīng)該減少空位和雜質(zhì)，但是安全的源材料、適中的生長(zhǎng)溫度、相對(duì)高的生長(zhǎng)速率以及使用所提出的方法生長(zhǎng)的氮化鋁的優(yōu)異晶體質(zhì)量強(qiáng)烈地表明所提出的方法是朝著環(huán)境友好的晶體生長(zhǎng)過(guò)程邁出的重要一步。所提出的生長(zhǎng)方法被命名為基本源氣相外延(EVPE)，并且在未來(lái)的研究中適用于同質(zhì)外延以進(jìn)一步提高質(zhì)量。

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