通过物理气相传输(PVT)法在石墨系统中制备了绿色、无色和琥珀色氮化铝(Al N)单晶,在金属系统中制备了琥珀色Al N单晶。晶体中杂质含量测试结果表明石墨系统中琥珀色的Al N晶体比绿色和无色Al N晶体C、Si杂质含量低1~2个数量级,金属系统中琥珀色Al N晶体杂质含量最低,C、Si、O元素含量均在1018cm-3级别。Al N晶体的吸收图谱和光致发光图谱的分析结果表明,Al N晶体存在着位于4.7 e V、3.5 e V、2.8 e V、1.85 e V的4个吸收峰,其中4.7 e V和3.5 e V的吸收峰导致了Al N吸收截止边的红移,该吸收峰分别源于碳占氮位(CN)的点缺陷和VAl与O杂质的复合缺陷,2.80 e V的吸收峰导致了Al N晶体的琥珀色,该吸收峰是C元素和O元素共同导致的,1.85 e V的吸收峰导致了Al N晶体的绿色,该吸收峰是Si元素和C元素导致的。
通过热力学理论对物理气相传输(PVT)法AlN晶体生长过饱和度进行分析,分别从软件模拟和晶体生长实验对衬底表面的温度分布进行调控,进而控制衬底表面AlN晶体生长的驱动力。理论上,采用Comsol模拟软件对坩埚结构的温度分布进行模拟仿真,模拟结果表明:复合型衬底可以显著改变衬底表面的温度分布,达到改变衬底表面AlN气氛的过饱和度的目的;实验上,采用PVT法AlN晶体的生长实验验证了软件模拟结果。采用复合型衬底生长AlN晶体时,通过对衬底表面的温度分布调控可有效控制晶体生长驱动力,进而实现形核位置和形核数量的控制。经过6~8 h AlN晶体生长后,可获得尺寸约为12 mm、厚度约为3 mm的AlN单晶。喇曼光谱和XRD双晶摇摆曲线测试结果表明晶体质量良好。
