氮化铝晶体生长系统的温场优化及智能控制研究.pdf

氮化铝晶体生长系统的温场优化及智能控制研究 摘 要 氮化铝（AlN ）作为第三代半导体材料的代表，具有超宽直接带隙（6.2 eV ）、高熔 点、高击穿场强、高饱和电子迁移率和高抗辐射等优异性能，适合制作深紫外、耐高温、 大功率、高频和抗辐射等电子器件。同时，AlN 晶体与其它Ⅲ族氮化物（如GaN ）的热 膨胀系数接近且晶格失配低，是外延生长这些材料的最佳衬底。但是，目前大尺寸和高 质量的AlN 晶体难以制备，其原因在于缺乏合适的单晶衬底材料，以及成熟稳定的生长 工艺。本文进行物理气相传输（PVT ）法在纯钨装置中制备AlN 晶体的研究，优化了生 长装置结构，获得合适的晶体生长温度场，同时，设计了专用的晶体生长控制系统，为 制备大尺寸和高质量的AlN 晶体作基础工作，具体包括三个方面： 首先，通过对比研究国内外AlN 晶体生长现状，结合本课题组晶体生长经验，分析 晶体尺寸限制和质量不佳的根本原因，由此提出PVT 法制备AlN 晶体的理想工艺条件 及实现的方式方法。 其次，对比PVT 法制备AlN 晶体常用的中频感应加热和电阻加热两种方式，分析 两者的优缺点；研究发现，电阻加热方式更适合提供大尺寸AlN 晶体生长所需的温度场； 随后，提出了 “倒置温场”的工艺方法，并设计了双区电阻加热的生长装置结构及发 热体形状，计算每种发热体的电阻值，并通过有限元仿真软件对设计结构作温度场模拟 及发热体作用效果分析，优选出最佳发热体组合方式及合适的保温层结构。 最后，对上述生长装置结构，设计一套温度控制系统用于实现大尺寸AlN 晶体制备 的 “倒置温场”工艺方法；该系统选用 PLC 作为主要工具，热电偶、红外测温仪、温 控仪等作为辅助工具，实现生长过程的全自动化操作，并满足 “倒置温场”特殊工艺 要求；将该系统应用到实际晶体生长研究中，并对所得晶体作表征分析，结果表明，该 控制系统在大尺寸高质量AlN 晶体制备中具有显著效果。 关键词：氮化铝；PVT ；有限元仿真；PLC I Study on Temperature Field and Intelligent Control for Aluminum Nitride Crystal Growth System Abstract Aluminum nitride (AlN), as one of 3rd-generation semiconductor ’s representative, has direct and ultra-wide gap (6.2 eV) and performances well in high melting point, high breakdown field strength, high electron saturated mobility, high anti-radiation, etc. It’s suitable for producing deep-UV devices, thermostability devices, high power devices, high frequency devices, radioresistance devices, and so on. At the same time, due to the similar coefficient of thermal expansion and little lattice mismatch compared to other Group Ⅲ nitrides (e.g., GaN), AlN is the best buffer layer material for the epitaxial growth of them. However, it’s hard to gain single crystal