● 摘要
氮化铝(AlN)陶瓷基板、外延薄膜和单晶衬底在微电子、光电子等领域尤其是深紫外波段器件方面具有许多优异的性质，因而一直受到凝聚态物理、材料学及微电子等学科的广泛关注和研究。本文利用自行搭建的管式气氛氮化炉成功合成出一系列非化学计量AlN粉，并用自行设计的高温化学气相外延系统(HTCVD)成功生长出一系列高温外延AlN膜。利用SEM、EDX、XRD、TEM、OA、PL和Raman谱，对AlN粉和AlN膜的形貌、成分、结构、光学性质和应力作了系统地研究，获得如下研究结果：
(1) 实验结果表明，在给定的原料和氮化时间条件下，通过改变直接氮化的气氛和温度，可实现AlN粉形貌的有效控制：在N2气氛中900℃到1100℃时产生AlN空壳结构和Al-AlN核-壳结构，所得样品为Al基体和AlN粉混合物，到1400℃时发生完全氮化并得到形状不规则且粒径约10μm的粗大AlN颗粒；而在NH3气氛及NH3-N2混合气氛中900℃时在Al粉表面形成致密的AlN致密钝化层，1100℃就可获得完全氮化并得到粒径约1μm且团聚的AlN粉，且在1200℃以上发生气相氮化反应，形成由粒径约200 nm均匀的AlN颗粒组成的蝌蚪状和树枝状结构。
(2) 用直接氮化合成了成份、缺陷及物性可控的富Al非化学计量的AlN粉，在给定的原料和氮化时间条件下，其成份与物性主要取决于气氛和温度。N2-1400℃可合成N/Al比为0.64的AlN粉，而NH3-1100℃可合成N/Al比接近1的AlN粉；N2气氛中合成的AlN粉中VN和AlN缺陷浓度高，而NH3和NH3-N2气氛中合成的AlN粉VN和AlN缺陷浓度低；VN和ON 施主能级以及AlN受主能级分别位于5.30 eV、3.40 eV和1.50 eV，并预言4.40 eV处还存在一施主缔合体[VN-ON]。
(3) 实验结果表明：在NH3、给定生长时间和20 sccm的AlCl3气流量条件下，HTCVD的生长温度是决定AlN薄膜结构、质量、应力和光学性质的关键因素。500℃时为非晶薄膜，700℃时为纳米针自组装成的纳米海胆状和密集阵列状纳米结构薄膜，900℃时为纳米棒自组装成的纳米花状和密集阵列状纳米结构膜；1100℃以上为Stranski-Krastanov模式生长的AlN(0002)外延薄膜，外延关系为AlN (0001)‖sapphire (0001)，AlN [1-210]‖sapphire [1-100]；1400℃时的外延薄膜光学带隙达6.05eV，而1500℃可获得质量好的外延薄膜，其(0002)面摇摆曲线FWHM为688 arcsec；AlN (0002)外延薄膜内部的双轴应力从1100℃时0.3 GPa的张应力线性变化到1500℃时1.8 GPa的压应力，双轴应力系数为-1.9 cm-1/GPa，光学带隙与双轴应力之间的线性系数为-426 meV/GPa。
(4) 实验结果进一步表明：在NH3-1300℃-50min和50 sccm的AlCl3气流量条件下，HTCVD生长区的气流方式直接影响AlN厚膜的结构、质量和光学性质。在湍流方式中，强烈的湍流和高浓度反应气体引起柱状生长模式并获得柱状结构厚膜；而层流方式Ⅰ(0°)和层流方式Ⅱ(45°)中，平稳的层流和较低的反应气体浓度导致Stranski-Krastanov外延生长模式，并且层流方式Ⅱ(45°)中生长更均匀，得到(0002)面FWHM为1010 arcsec、光学带隙为5.93 eV的高质量AlN(0002)外延厚膜。
因此，利用本文直接氮化合成AlN粉的方案，可得到形貌、粒径、N/Al比及物性可控的非化学计量AlN粉；采用本文HTCVD设计方案可获得高质量AlN外延薄膜和厚膜。