摘要: 作为宽禁带半导体材料家族中带隙最宽的材料，氮化铝（AlN）晶体拥有高达6.1eV的带隙和优异的物理化学性质，在制备高温、高压、高频、大功率和紫外光电子器件等领域具有重要的应用。国际上开展AlN晶体生长研究工作已经有近五十年的时间，但由于AlN晶... 展开 作为宽禁带半导体材料家族中带隙最宽的材料，氮化铝（AlN）晶体拥有高达6.1eV的带隙和优异的物理化学性质，在制备高温、高压、高频、大功率和紫外光电子器件等领域具有重要的应用。国际上开展AlN晶体生长研究工作已经有近五十年的时间，但由于AlN晶体生长难度大、成本高，只实现了小面积晶体衬底的商业化。物理气相传输（PVT）法具有生长速率高、位错密度低和晶体质量高的特点，被认为是生长AlN体块晶体的最佳方法。在本文中，利用有限元分析方法对PVT法生长系统中的温度场进行了模拟。基于温度场模拟结果，使用SiC衬底作为异质衬底生长了AlN晶体，通过自发成核生长了AlN籽晶，并通过迭代生长实现了AlN晶体尺寸的扩大，表征了生长的AlN晶体的物理、结构、质量和光学特征，并通过晶体加工制备了AlN衬底。本论文具体的研究内容如下: （1）基于对PVT法生长AlN晶体系统的有限元分析，构建了生长系统中的温度场分布模型，讨论了不同参数对温度场分布的影响。利用有限元分析方法将复杂的多物理场耦合系统数学近似，建立了生长系统中的温度场分布模型，得到了特征型AlN晶体生长系统的全局温度分布。根据对全局温度场的分析，筛选出坩埚区域中的温度场分布情况，研究了不同坩埚位置和坩埚厚度对坩埚内温度场分布的影响。结果显示坩埚位置对坩埚内温度场分布和分布规律的影响极为明显;坩埚盖厚度的增加会明显提高坩埚内生长区域的温度，减小生长区域中的温度梯度，但对坩埚内料源区域的温度分布影响较小;坩埚壁厚度的增加会明显提高坩埚内的整体温度，从整体上看会增加生长区域的温度梯度;坩埚底厚度的增加会提高坩埚内的整体温度，改变晶体生长区域内的温度梯度，但效果不明显;并且坩埚各处厚度的增加从整体上不会改变特征位置的温度分布规律。 （2）使用SiC衬底作为籽晶生长了AlN晶体，对所制备的AlN晶体的结构、质量和应力进行了研究。使用SEM和EDS映射分析确定了在AlN晶体中存在高浓度的C杂质，XRD显示AlN晶体的（0002）面衍射峰向小角度偏移，拉曼光谱中出现AlN晶体理论预测以外的拉曼模式，证实了AlN晶体中高浓度杂质引起其结构变化。通过湿法腐蚀确定了AlN晶体的极性为Al极性，而Al极性不适合后续生长。利用EBSD对AlN晶体的晶体质量进行表征，结果显示AlN晶体结构完整且均匀。通过分析AlN晶体的HRXRD摇摆曲线，发现在AlN晶体中存在小角度晶界，位错密度较高，其螺型位错和刃型位错密度分别为6.98×108和5.18×109cm-2。基于EBSD织构纹理分析，确定了AlN晶体与理想晶体结构的偏差;从实际和理论上分析了AlN晶体中的应力变化情况，发现在生长初期，衬底对AlN晶体的影响比较明显，晶体中的应力水平较高，随着生长的进行，衬底对AlN晶体的影响越来越小，晶体中的应力水平不断下降。 (3)通过自发成核制备了AlN籽晶，经过迭代生长实现了AlN晶体直径的扩大,并对AlN晶体的物理、结构、质量和光学特性进行了表征。在同一温度场下制备了独立生长的各种取向AlN籽晶，证实了AlN的生长速率由生长的温度场控制，而非晶体学差异;选取特征性的c面和m面籽晶进行了对比分析，解析了AlN籽晶的成键方式和具体的晶体结构;分析了AlN籽晶的表面化学态、表面氧化层的厚度、应力水平和结构质量。经过迭代生长实现了AlN晶体尺寸的扩大，并通过推导解释了在AlN晶体生长表面观察到的三维岛生长模式是二维成核生长推进所致。对AlN晶体的密度、硬度、磁性、热稳性等物理性质进行了表征。发现AlN晶体实际密度为3.23487g·cm-3，硬度为8.3,在室温下变现出抗磁性，在较高温度下稳定性优异。分析了AlN晶体的结构，结果发现AlN晶体中主要化学键类型为Al-N键，存在一定量的O-Al和O-N键;还分析了AlN晶体价带顶和导带底的轨道贡献。表征了AlN晶体的质量，发现晶体的结构一致性良好，晶体质量高，位错密度低，还观察到了晶体中的空位缺陷。对晶体的光学特性进行了表征，发现较高的生长温度影响了AlN晶体在紫外光区域的光透过;随着温度升高，AlN晶体中的光声子模峰宽展宽、峰强度降低。 (4)通过对生长的AlN晶锭进行切割、研磨和抛光制备了表面平坦的AlN衬底,分析了研磨过程中的接触类型和磨损类型，基于化学热力学、动力学计算了AlN晶体的氧化过程的反应程度和速率，分析化学机械抛光(CMP)过程机理。对AlN晶锭进行了线切割，得到了具有厚度一致性的AlN晶片，发现切割后的晶片表面存在大量脆性损伤，表面质量较差。为减薄损伤层的厚度，对AlN晶片进行了机械研磨。利用机械加工理论分析了研磨过程中研磨盘、研磨料和加工晶体之间的接触和磨损类型;发现在研磨后的晶体表面遍布着分布均匀、方向一致的塑性划痕，还观察到研磨过程中兼具脆性和塑性加工特征的耕犁沟壑。为了进一步减薄脆性损伤层厚度，对研磨后的晶片进行了CMP,基于化学热力学、动力学计算，发现AlN晶体在抛光过程中较容易生成表面软质层，因此可选用氧化性较弱的氧化剂或适当降低氧化剂浓度;详细分析了晶体CMP的过程，绘制了AlN晶体CMP微区示意图;抛光后的晶体表面的Ra和Rq分别为2.51和3.20nm,展现出优良的表面质量。 收起