PVT方法下AlN烧结工艺坩埚盖处氧杂质沉积行为研究

AlN晶体中的氧杂质会严重影响晶体性能.因此,氧含量的控制一直是AlN晶体生长工艺中的热点和难点.为了减少AlN晶体中的氧杂质含量,通常在长晶之前使用粉料高温烧结工艺去除大部分的氧杂质.使用XRD及EGA等检测方法,对不同烧结工艺下AlN烧结过程中坩埚盖处的氧杂质沉积行为及其规律进行了对比研究.研究发现,使用低温(900～1 100℃)真空保温与1 500℃的氮气保护下保温相结合的方法可以极大促进氧杂质在坩埚盖处的前期沉积.在氮气保护环境下进一步提升烧结温度至2 000～2 100℃并经过一段时间的保温后,坩埚盖沉积物表面会出现黄褐色AlN结晶层,相应的检测结果表明此阶段坩埚盖处的氧杂质大量挥发,沉积过程已经基本结束.     

纳米AlN粉末的制备与烧结

利用低温燃烧合成前驱物制备出平均粒度为100 nm的AlN陶瓷粉末,比较了该粉末的常压烧结和放电等离子烧结的特性.实验表明:以合成的AlN粉末为原料,添加5%(质量比)Y2O3作为烧结助剂,在常压、流动N2气氛下1600℃保温3 h,制备出平均晶粒尺寸为4～8 μm、密度为3.28 g·cm-3的AlN陶瓷;将同样的粉末不加任何烧结助剂,采用SPS技术在1600℃保温4 min,得到密度为3.26 g·cm-3的AlN陶瓷,晶粒度约为1～2μm.     

基于PVT法自发形核生长AlN晶体的研究

根据物理气相传输法(PVT) AlN晶体生长特点及工艺要求,自主设计了AlN晶体生长炉及其配套热场.FEMAG软件热场模拟结果表明,自主设计的晶体生长炉及其配套热场可以达到AlN晶体生长所需坩埚内部温度梯度要求.基于设计的PVT生长炉,开展了在2 250℃生长温度、40 h长晶时间条件下的自发形核生长实验.实验研究结果表明,在该工艺条件下,通过自发形核可生长得到典型长度为3～Smm、直径为2 mm的高质量AlN单晶;AlN晶体的c-plane(0001)生长速率最快,易形成尖锥形晶体结构,不利于晶体的扩径;Raman表征图谱中AlN晶体的E2 (high)半峰宽仅为5.65 cm-1,表明AlN晶体质量非常高;SEM、EDS分析得出晶体内部质量较为均匀,c-plane和m-plane腐蚀形貌特征明显.     

低介电损耗AlN陶瓷及BN—AlN基陶瓷材料研究

首先利用化学工艺制备出烧结助剂Y2O3均匀混合的AlN粉体及BN均匀包覆AlN的复合粉体。利用无压烧结制备出AlN陶瓷及BN—AlN基复相陶瓷。通过对陶瓷显微结构、热性能及微波介电性能的研究发现,通过化学工艺,将BN包覆到AlN粉体表面,制备出显微结构均匀的AlN-20％BN（质量比）复相陶,其热导率为78．1w／m·K,在Ka波段介电常数为7．2、介电损耗最小值为13×10^-4通过材料化学工艺,将烧结助剂Y2O3均匀添加到AlN基体中,制备出热导率为154．2w／m·K,在Ka波段介电常数为8．5、介电损耗最小值为9．3×10^-4的AlN陶瓷材料。     

粉料特性对CBS微晶玻璃结构与性能的影响

利用不同快速球磨时间的CaO-B2O3-SiO2(CBS)玻璃粉料,制备了低温烧结的CBS玻璃陶瓷.利用X线衍射仪(XRD)和电子显微镜(SEM),分析粉料特性与 CBS玻璃陶瓷结构的关系,系统研究了粉料特性对CBS玻璃陶瓷的烧结性能、介电性能(10 GHz)及热学性能的影响.结果表明,减小粉料粒径能在较低的烧成温度下实现烧结,并有效提高致密度,有利于降低介电常数和介电损耗.热膨胀系数显著增大,其原因是随着粉料粒径的减小,生成了大量的具有低介电常数、高膨胀系数的石英相.球磨2 h试样在850 ℃的烧结密度为2.615 g·cm-3,吸水率为0.16%,9.98 GHz下的介电常数和损耗分别为6.16和1.98×10-3.     

纳米AIN粉末的制备与烧结

利用低温燃烧合成前驱物制备出平均粒度为100 nm的AlN陶瓷粉末,比较了该粉末的常压烧结和放电等离子烧结的特性。实验表明:以合成的AlN粉末为原料,添加5%(质量比)Y2O3作为烧结助剂,在常压、流动N2气氛下1600℃保温3 h,制备出平均晶粒尺寸为4~8μm、密度为3.28 g.cm-3的AlN陶瓷;将同样的粉末不加任何烧结助剂,采用SPS技术在1600℃保温4 min,得到密度为3.26 g.cm-3的AlN陶瓷,晶粒度约为1~2μm。     

AlN/SiO_2-B_2O_3-ZnO-Bi_2O_3低温共烧玻璃陶瓷

制备了SiO2-B2O3-ZnO-Bi2O3系玻璃,并且与AlN液相烧结得到低温共烧玻璃陶瓷。分析了样品的相结构、形貌、介电常数、介质损耗、热导率和热膨胀系数等性能。结果表明:AlN与SiO2-B2O3-ZnO-Bi2O3系玻璃在950℃能够很好地烧结。该陶瓷的性能取决于烧结体的致密度和玻璃含量,当w(玻璃)为40%~60%时,陶瓷具有较低的ε(r3.5~4.8)和tanδ[(0.13~0.48)×10–2]、较高的λ[5.1~9.3 W/(m.K)]以及与Si相接近的αl[(2.6~2.8)×10–6.K–1],适用于低温共烧基板材料。     

钙硼硅系玻璃陶瓷低温烧结研究

利用不同粒度的CaO-B2O3-SiO2(CBS)玻璃粉料,制备了低温烧结的CBS玻璃陶瓷.研究了粉料粒度对CBS系玻璃陶瓷低温烧结的影响.实验表明,粉料粒度对粉料的玻璃化温度Tg的影响不明显,玻璃致密化开始于玻璃化温度Tg≈680℃,随着烧成温度升高,收缩率迅速增大;随着粉料粒度的减小,试样的烧结温度和显气孔率降低,体积密度、收缩率、热膨胀系数和抗折强度都增大.将粉料粒径中位值D50=2.34 μm的粉料采用流延工艺制得127 μm的生料带,运用优化烧成工艺,与银电极浆料在850℃共烧,表面平整,匹配良好,能在一定程度上满足低温共烧陶瓷(LTCC)用基板材料的要求.     

PVT法同质籽晶AlN晶体生长

为了获得高质量AlN晶体,通过物理气相传输(PVT)法,采用AlN籽晶进行AlN晶体生长,并通过双温区加热装置对衬底与原料之间的温差进行调节。研究结果表明,籽晶形核阶段,随着AlN籽晶与原料顶温差的减小,AlN的形核机制呈现三种模式,分别为岛生长模式、畴生长模式和螺旋位错生长模式;晶体生长阶段,通过增加AlN籽晶与原料顶温差来提高晶体生长速率,采用10℃/h的变温速率将温差从10℃增加为30℃时,AlN晶体生长模式不变,仍然保持螺旋位错生长模式,该生长模式下获得的AlN晶体结晶质量最高,(0002)面摇摆曲线半峰宽(FWHM)约为55 arcsec。     

超宽禁带半导体AlN功率电子学的新进展

以SiC和GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流,而有可能成为下一代固态功率电子学的超宽禁带半导体AlN功率电子学和同类的Ga₂O₃、金刚石功率电子学同样受到人们的关注。介绍了AlN功率电子学在AlN功率二极管、AlN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)、AlN增强GaN HEMT和AlN的热管理应用等方面的最新进展,包括AlN异质多层外延结构、超晶格量子阱结构、AlN功率器件新结构设计、AlN新器件工艺、AlN超薄势垒层、AlN缓冲层、AlN钝化层、AlN耦合沟道层、AlN及其合金的热阻和AlN多晶陶瓷热导率等。分析评价了AlN功率电子学的发展、关键技术进步和发展态势。     

低温烧结AlN陶瓷基片

通过添加助烧结剂和改进粉体性能，进行ＡｌＮ陶瓷的低温致密化烧结。研究结果表明，添加以Ｄｙ２Ｏ３为主的助烧结剂系统，在１６５０℃下，无压烧结４ｈ，热导率高达１５６Ｗ／（ｍ·Ｋ）；而对ＡｌＮ粉体进行冲击波处理，可以提高粉体的烧结活性，使烧结温度降低２５℃。讨论了低温烧结ＡｌＮ陶瓷基片及低温共烧多层ＡｌＮ陶瓷基片的制备工艺。两步排胶法可以较好地解决金属Ｗ氧化及ＡｌＮ陶瓷颗粒表面吸附残余碳的问题，是制备ＡｌＮ陶瓷与金属Ｗ共烧多层基片的有效排胶方法。     

AlN基板表面处理对薄膜附着力的影响

用扫描电镜和X射线能谱分析仪研究高温氧化及薄膜工艺过程中主要溶液对氮化铝陶瓷(AlN)基板的影响。结果表明:高温氧化使表面氧含量增加,在1000℃氧化2h,表面已形成致密的氧化层。碱性溶液清洗和去离子水煮会使表面产生多孔的疏松化合物。采用高温氧化、酸性清洗、溅射前加强离子轰击等措施,磁控溅射TiCu,其薄膜膜层附着力不低于15MPa。     

Cathodoluminescence study of micro-crack-induced stress relief for AlN films on Si(111)

Spatially, spectrally, and depth-resolved cathodoluminescence (CL) measurements were performed for high-quality thin AlN films grown on Si(111). Cl spectra exhibited a sharp peak at 5.960 eV, corresponding to the near-band-edge excitonic emission of AlN. Depth-resolved CL analysis showed that deep level oxygen and carbon impurities are localized primarily at the AlN/Si interface and AlN outer surface. Monochromatic CL imaging of the near-band-edge emission exhibits a spotty pattern, which corresponds to high concentrations of threading dislocations and thermally induced microcracks in the thin layers. We have examined relief of the thermal stress in close proximity to single microcracks and intersecting microcracks. Local CL spectra acquired with a focused e-beam show blue-shifts as large as ∼82 meV in the AlN near-band edge excitonic peaks, reflecting defect-induced reductions in the biaxial thermal stress, which has a maximum value of ∼47 kbar.     

前驱体制备与氮化还原法合成AlN粉的物相分析

采用溶胶凝胶工艺制备了铝源和碳源的均匀混合物,分析了铝源与碳源的比例对合成氮化铝物相的影响规律,研究表明,在一定的碳铝比范围内生成很纯的氮化铝粉体,比值较小时含有较多的氧化铝相,较大时含有的碳很难排除完全,并且也容易发生氮化铝粉体的氧化,使纯度降低。对铝源与碳源的混合物通过高温氮化还原煅烧处理,分析了煅烧温度与合成物相的关系,随着温度的提高,形成的氮化铝峰明显增强,直至合成纯的氮化铝相,并与氧化铝通过氮化还原法制备氮化铝粉体的煅烧温度进行了比较,明显降低了合成纯氮化铝粉体的煅烧温度。     

HVPE法生长AlN薄膜材料

利用自制立式HVPE设备,在蓝宝石衬底上进行了不同载气情况下AlN的生长试验,生长温度1 000℃。在采用H2作载气情况下,由于预反应严重,没能生长出AlN薄膜,只得到一些白色AlN粉末;而在分别采用Ar和N2作载气的情况下,则成功生长出AlN薄膜,但由于生长温度低,AlN生长均为岛状生长模式。在生长速率较快时,AlN薄膜是以〈0001〉AlN为主的AlN多晶;而在较低生长速率下,得到的AlN薄膜由为〈0001〉取向的AlN岛组成。试验还发现:用Ar作载气更有利于AlN晶核的横向生长,用N2作载气则有相对高得多的AlN成核密度。     

Al(H_2PO_4)_3和H_3PO_4改性AlN粉末的研究

采用机械球磨法,以Al(H2PO4)3和H3PO4为改性剂,制备了具有较高抗水解能力的AlN粉末,研究了改性AlN粉末在水基球磨过程中的稳定性。通过XRD,FT-IR,SEM,TG-DSC和氮含量测定对改性前后AlN粉末进行了表征。改性AlN粉末在60℃水中浸泡24h后,其w(N)为32.97%,且其XRD谱中未发现Al(OH)3相,其抗水解能力得到显著提高。改性AlN粉末在水中高速球磨16h后,其w(N)约为32%,AlN悬浮液的pH值约为6,说明改性AlN粉末在水中球磨过程中具有较好的稳定性。     

坩埚位置对PVT生长AlN晶体过程中物质传输的影响

使用FEMAG晶体生长模拟仿真软件以及自主开发的PVT法有限元传质模块对全自动、双电阻加热物理气相沉积炉开展了AlN晶体生长工艺过程中不同坩埚埚位对温度场、过饱和度场及烧结体升华速率等影响的模拟仿真分析研究。模拟仿真结果表明:在给定工艺条件下,坩埚埚位较低时烧结体温度较高且内部温差较小,烧结体升华表面存在较大的Al蒸气分压梯度,各表面升华速率较快且均匀,籽晶衬底生长前沿温度场呈微凸分布,有利于晶体扩径及生长高质量晶体。随着坩埚埚位的上升,低温区向坩埚壁扩展,预烧结体内轴向及径向温度梯度增加,籽晶衬底附近径向温度梯度逐步降低,过饱和度区域扩大且增强。在坩埚埚位较高情况下,坩埚内原料升华变得不均匀,坩埚侧壁存在高过饱和区域,极易在坩埚壁上发生大量的AlN多晶沉积。模拟分析结果与大量实际晶体生长实验后的坩埚壁处沉积现象及剩余烧结体原料形态相符,较好地验证了模拟仿真分析结果的准确性。     

激光熔蚀反应淀积AlN薄膜残余应力及热稳定性的研究

激光熔蚀反应淀积于 Si(10 0 ) ,Si(111)基底上的 Al N薄膜是高质量高取向性的 Al N多晶膜 ,薄膜与基底的取向关系为 Al N(10 0 )∥ Si(10 0 ) ,Al N(110 )∥ Si(111)。薄膜具有较低的残余应力和较好的热稳定性。实验结果表明 ,当氮气压强和放电电压分别为 10 0× 133.33Pa和 6 50 V时 ,薄膜的残余应力低于 3GPa。此样品在纯氧环境 50 0℃时 ,经过 3h的退火 ,红外吸收谱检测未发现有Al2 O3 特征峰出现。对 Al N/Cu双层膜的研究表明所制备的 Al N薄膜在金属薄膜的防护上也有潜在的应用价值。     

AlN单晶的位错腐蚀和红外吸收分析

The defects and the lattice perfection of an AlN（0001） single crystal grown by the physical vapor trans-port（PVT） method were investigated by wet etching, X-ray diffraction（XRD）, and infrared absorption, respectively.A regular hexagonal etch pit density（EPD） of about 4000 cm-2 is observed on the（0001） Al surface of an AlN single crystal.The EPD exhibits a line array along the slip direction of the wurtzite structure, indicating a quite large thermal stress born by the crystal in the growth process.The XRD full width at half maximum（FWHM） of the single crystal is 35 arcsec, suggesting a good lattice perfection.Pronounced infrared absorption peaks are observed at wave numbers of 1790, 1850, 2000, and 3000 cm-1, respectively.These absorptions might relate to impurities O, C, Si and their complexes in AlN single crystals.