PVT法によるAlN結晶成長

窒化ガリウム (GaN)、炭化ケイ素 (SiC)、窒化アルミニウム (AlN) などの第 3 世代のワイドバンドギャップ半導体材料は、優れた電気的、熱的、音響光学的特性を示します。これらの材料は、第 1 世代および第 2 世代の半導体材料の限界に対処し、半導体産業を大きく前進させます。

現在、その調製技術と応用技術は、SiCおよびGaNは比較的よく確立されています。対照的に、AlN、ダイヤモンド、酸化亜鉛 (ZnO) の研究はまだ初期段階にあります。 AlN は、バンドギャップ エネルギーが 6.2 eV の直接バンドギャップ半導体です。高い熱伝導率、抵抗率、絶縁破壊電界強度、および優れた化学的および熱的安定性を誇ります。その結果、AlN は青色光や紫外光の用途に重要な材料であるだけでなく、電子デバイスや集積回路に不可欠なパッケージング、誘電体分離、および絶縁材料としても機能します。特に高温および高出力のデバイスに適しています。

さらに、AlN と GaN は優れた熱的整合性と化学的適合性を示します。 AlN は GaN エピタキシャル基板としてよく使用され、GaN デバイスの欠陥密度を大幅に低減し、性能を向上させることができます。その有望な応用可能性により、世界中の研究者が高品質で大型の AlN 結晶の調製に大きな注目を集めています。

現時点での準備方法としては、AlN結晶これには、溶液法、アルミニウム金属直接窒化、水素化物気相エピタキシー (HVPE)、および物理的気相輸送 (PVT) が含まれます。中でもPVT法は、高い成長速度(最大500～1000μm/h)と転位密度10^3cm^-2以下の優れた結晶品質により、AlN結晶成長の主流技術となっている。

PVT法によるAlN結晶成長の原理とプロセス

PVT法によるAlN結晶成長は、AlN原料粉末の昇華、気相輸送、再結晶の工程を経て完了します。成長環境温度は2300℃と高温です。 PVT 法による AlN 結晶成長の基本原理は、次の式に示すように比較的単純です。 2AlN (s) =⥫⥬ 2Al (g) + N2 (g) (1)

その成長プロセスの主なステップは次のとおりです。 (1) AlN 原料粉末の昇華。 （２）原料気相成分の透過。 （３）成長表面への気相成分の吸着。 (4) 表面拡散と核生成。 （５）脱着工程［１０］。標準大気圧下では、AlN 結晶は約 1700 °C でゆっくりと分解して Al 蒸気と窒素になり始めます。温度が2200℃に達すると、AlNの分解反応が急激に激しくなります。図１は、AlN気相生成物の分圧と周囲温度との関係を示す曲線である。図中の黄色の領域は、PVT 法で作製した AlN 結晶のプロセス温度です。図２は、PVT法により作製したAlN結晶の成長炉構造の模式図である。

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