Crecimiento de cristales de AlN por método PVT.

La tercera generación de materiales semiconductores de banda prohibida amplia, incluidos el nitruro de galio (GaN), el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de aluminio (AlN), exhibe excelentes propiedades eléctricas, térmicas y acústico-ópticas. Estos materiales abordan las limitaciones de la primera y segunda generación de materiales semiconductores, lo que hace avanzar significativamente la industria de los semiconductores.

Actualmente, las tecnologías de preparación y aplicación deSicy GaN están relativamente bien establecidos. Por el contrario, la investigación sobre AlN, diamante y óxido de zinc (ZnO) aún se encuentra en sus primeras etapas. AlN es un semiconductor de banda prohibida directa con una energía de banda prohibida de 6,2 eV. Cuenta con alta conductividad térmica, resistividad, intensidad de campo de ruptura y excelente estabilidad química y térmica. En consecuencia, el AlN no solo es un material importante para aplicaciones de luz azul y ultravioleta, sino que también sirve como embalaje esencial, aislamiento dieléctrico y material aislante para dispositivos electrónicos y circuitos integrados. Es especialmente adecuado para dispositivos de alta temperatura y alta potencia.

Además, AlN y GaN presentan buena compatibilidad térmica y compatibilidad química. AlN se utiliza a menudo como sustrato epitaxial de GaN, lo que puede reducir significativamente la densidad de defectos en los dispositivos de GaN y mejorar su rendimiento. Debido a su prometedor potencial de aplicación, investigadores de todo el mundo están prestando considerable atención a la preparación de cristales de AlN de gran tamaño y alta calidad.

Actualmente, los métodos para prepararcristales de AlNincluyen el método de solución, nitruración directa de metal de aluminio, epitaxia en fase de vapor de hidruro (HVPE) y transporte físico de vapor (PVT). Entre estos, el método PVT se ha convertido en la tecnología principal para el cultivo de cristales de AlN debido a su alta tasa de crecimiento (hasta 500-1000 μm/h) y calidad superior del cristal, con una densidad de dislocación inferior a 10^3 cm^-2.

Principio y proceso de crecimiento de cristales de AlN mediante el método PVT.

El crecimiento de cristales de AlN mediante el método PVT se completa mediante los pasos de sublimación, transporte en fase gaseosa y recristalización del polvo crudo de AlN. La temperatura ambiente de crecimiento alcanza los 2300 ℃. El principio básico del crecimiento de cristales de AlN mediante el método PVT es relativamente simple, como se muestra en la siguiente fórmula: 2AlN (s) =⥫⥬ 2Al (g) + N2 (g) (1)

Los principales pasos de su proceso de crecimiento son los siguientes: (1) sublimación del polvo crudo de AlN; (2) transmisión de componentes de fase gaseosa de materia prima; (3) adsorción de componentes en fase gaseosa sobre la superficie de crecimiento; (4) difusión superficial y nucleación; (5) proceso de desorción [10]. Bajo presión atmosférica estándar, los cristales de AlN comienzan a descomponerse lentamente en vapor de Al y nitrógeno a alrededor de 1700 °C. Cuando la temperatura alcanza los 2200 °C, la reacción de descomposición del AlN se intensifica rápidamente. La Figura 1 es una curva que muestra la relación entre la presión parcial de los productos de la fase gaseosa de AlN y la temperatura ambiente. El área amarilla en la figura es la temperatura de proceso de los cristales de AlN preparados mediante el método PVT. La Figura 2 es un diagrama esquemático de la estructura del horno de crecimiento de cristales de AlN preparados mediante el método PVT.

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