PVT 방법에 의한 AlN 결정 성장

질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN)을 포함한 3세대 와이드 밴드갭 반도체 소재는 뛰어난 전기적, 열적, 음향광학 특성을 나타냅니다. 이들 소재는 1세대와 2세대 반도체 소재의 한계를 해결해 반도체 산업을 획기적으로 발전시킨다.

현재,SiCGaN은 상대적으로 잘 확립되어 있습니다. 이에 비해 AlN, 다이아몬드, 산화아연(ZnO)에 대한 연구는 아직 초기 단계이다. AlN은 밴드갭 에너지가 6.2eV인 직접 밴드갭 반도체입니다. 이 제품은 높은 열 전도성, 저항성, 파괴 전계 강도, 우수한 화학적 및 열적 안정성을 자랑합니다. 결과적으로, AlN은 청색 및 자외선 응용 분야에 중요한 재료일 뿐만 아니라 전자 장치 및 집적 회로의 필수 패키징, 유전체 절연 및 절연 재료 역할도 합니다. 특히 고온 및 고전력 장치에 매우 적합합니다.

더욱이, AlN과 GaN은 우수한 열적 매칭과 화학적 호환성을 나타냅니다. AlN은 GaN 에피택셜 기판으로 자주 사용되며, 이는 GaN 장치의 결함 밀도를 크게 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다. 유망한 응용 잠재력으로 인해 전 세계 연구자들은 고품질의 대형 AlN 결정 준비에 상당한 관심을 기울이고 있습니다.

현재 준비방법은AlN 결정용액법, 알루미늄 금속 직접 질화, 수소화물 증기상 에피택시(HVPE), 물리적 증기 수송(PVT) 등이 있습니다. 이 중 PVT 방법은 높은 성장 속도(최대 500~1000μm/h)와 우수한 결정 품질, 전위 밀도가 10^3cm^-2 미만으로 인해 AlN 결정을 성장시키는 주류 기술이 되었습니다.

PVT법에 의한 AlN 결정 성장의 원리와 과정

PVT 방법에 의한 AlN 결정 성장은 AlN 원료 분말의 승화, 기상 수송 및 재결정화 단계를 거쳐 완성됩니다. 성장환경온도는 2300℃에 이른다. PVT 방법에 의한 AlN 결정 성장의 기본 원리는 다음 공식과 같이 비교적 간단합니다. 2AlN(s) =⥫⥬ 2Al(g) + N2(g) (1)

성장 과정의 주요 단계는 다음과 같습니다. (1) AlN 원료 분말의 승화; (2) 원료 기상 성분의 전달; (3) 성장 표면에 기상 성분을 흡착하는 단계; (4) 표면 확산 및 핵 생성; (5) 탈착 과정 [10]. 표준 대기압 하에서 AlN 결정은 약 1700°C에서 천천히 Al 증기와 질소로 분해되기 시작합니다. 온도가 2200°C에 도달하면 AlN의 분해 반응이 급격히 강화됩니다. 도 1은 AlN 기상 생성물의 분압과 주위 온도 사이의 관계를 나타내는 곡선이다. 그림의 노란색 부분은 PVT 방법으로 제조된 AlN 결정의 공정 온도입니다. 도 2는 PVT법으로 제조된 AlN 결정 성장로 구조의 개략도이다.

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