脉冲激光沉积法外延生长大面积aln单晶薄膜及其生长机理研究
晶态IGZO_薄膜晶体管的研究进展
第 38 卷第 8 期2023 年 8 月Vol.38 No.8Aug. 2023液晶与显示Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays晶态IGZO薄膜晶体管的研究进展姜柏齐1，刘斌1，刘贤文1，张硕1，翁乐1，史大为2，郭建2，苏顺康2，姚琪3，宁策3，袁广才3，王峰1，喻志农1*（1.北京理工大学光电学院，北京市混合现实与先进显示技术工程研究中心，北京 100081；2.重庆京东方显示技术有限公司，重庆 400714；3.北京京东方显示技术有限公司，北京 101520）摘要：随着显示技术的不断发展，对高性能、高稳定性的薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）的需求日趋增加，通过结晶改善薄膜晶体管性能的方法受到大量关注。
当前，铟镓锌氧化物（IGZO）材料由于具有迁移率高、柔性好、透明度高等优势，被广泛用于薄膜晶体管的沟道中，而改善IGZO沟道层的结晶形态也成为研究热点。
本文总结了晶态IGZO薄膜晶体管器件的研究进展，详细介绍了IGZO系化合物的晶体结构，重点阐述了单晶、c轴取向结晶、六方多晶型、尖晶石型、纳米晶型和原生结晶型IGZO的结构和各晶态IGZO薄膜晶体管的制备方法、器件性能和稳定性，深入分析其微观结构，总结物理特性，阐述不同晶系结构的结晶机理，建立不同晶体结构与电学特性的关系，最后对晶态IGZO薄膜晶体管的发展进行展望。
关键词：晶态IGZO薄膜；薄膜晶体管；晶体结构；研究进展中图分类号：TN321+.5 文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2023-0121Research progress on crystalline IGZO thin film transistor JIANG Bai-qi1，LIU Bin1，LIU Xian-wen1，ZHANG Shuo1，WENG Le1，SHI Da-wei2，GUO Jian2，SU Shun-kang2，YAO Qi3，NING Ce3，YUAN Guang-cai3，WANG Feng1，YU Zhi-nong1*（1.School of Optics and Photonics， Beijing Engineering Research Center of Mixed Reality and Advanced Display， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China；2.Chongqing BOE Display Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400714， China；3.Beijing BOE Display Technology Co.， Ltd.， Beijing 101520， China）Abstract： With the development of display technology， the demand for high-performance and high-stability thin film transistors （TFTs） is increasing. The method of improving the performance of thin film transistors through crystallization has received a lot of attention. Currently， indium gallium zinc oxide （IGZO） materials are widely used in the channels of thin film transistors due to their advantages such as high mobility， flexibility，and high transparency. Improving the crystalline morphology of the IGZO channel layer has become a research hotspot.This article summarizes the research progress of crystalline IGZO thin film transistor devices，文章编号：1007-2780（2023）08-1031-16收稿日期：2023-04-04；修订日期：2023-05-10.基金项目：国家重点研发计划（No.2021YFB3600703）Supported by National Key Research and Development Program of China（No.2021YFB3600703）*通信联系人，E-mail： znyu@第 38 卷液晶与显示introduces in detail the crystal structure of IGZO compounds， and focuses on the structure of single crystalline，c-axis-aligned crystalline，hexagonal polycrystalline，spinel，nanocrystalline，and protocrystalline IGZO，as well as the preparation methods，device performance，and stability of various crystalline IGZO thin-film transistors.We also analyze the microstructure of crystalline IGZO，summarize the physical properties，describe the crystallization mechanism and establish the relationship between crystal structure and electrical properties. At last， the development of crystalline IGZO thin film transistor is prospected.Key words： crystalline IGZO film； thin film transistor； crystal structure； research progress1 引言薄膜晶体管（TFT）是使用半导体材料制成的绝缘栅极场效应管。
金属调制分子束外延生长氮化铝薄膜
开、关闭时间,可以获得形貌较好的 AlN 薄膜。 通过调整优化获得的 MME 方案为:首先 Al 源快门打开 30 s,然后 Al
源和 N 源快门打开 60 s,最后单独打开 N 源快门 72 s;单一周期内,Al 源快门打开时间与 N 源快门打开时间比例为
0. 7。 以上述方案为一个周期进行循环生长 40 个周期,可获得粗糙度低至 0. 3 nm(2 μm × 2 μm) ,几乎无凹坑的 AlN
MOCVD) 法、反应磁控溅射法等 [4] 。 其中,MBE 系统的超高真空环境可以有效避免 MOCVD 反应器中严重
的寄生反应和镁受体的氢钝化效应;其另一个优点是可以精确控制快速快门的打开和关闭,从而实现复杂的
结构和尖锐的异质界面 [5-6] ,可用来外延生长超晶格、多重量子阱、p 型高铝组分 AlGaN 等。 在外延 AlN 的过
Abstract:In this paper, conventional continuous epitaxial growth and metal modulated epitaxial ( MME) growth of AlN were
investigated with the plasma-assisted molecular beam epitaxy ( PA-MBE) system. It is difficult to control the growth mode of
1 实 验
本文实验使用 RIBER Compact 21 等离子体辅助分子束外延( plasma-assisted molecular beam epitaxy, PA-
MBE) 系统,此系统配备了几种Ⅲ族金属( Al、Ga 和 In) 的蒸发源和氮等离子体源。 所有样品都生长在由
中国地质大学材料科学与化学工程学院
ZnO薄膜的制备及应用研究进展胡国华，陈建平（中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学院，武汉430074）摘要ZnO作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有很好的化学稳定性和热稳定性,抗辐射损伤能力强，在光电器件、压电器件、表面声波器件等诸多领域有着很好的应用潜力。
本文主要介绍制备ZnO薄膜的技术和方法，并简要的介绍了ZnO薄膜的应用进展。
关键词ZnO薄膜；制备；应用０前言ZnO是一种新型的宽禁带化合物半导体材料，与GaN相比具有相近的晶格常数和禁带宽度，原料廉价易得，而且具有很高的熔点和激子束缚能，以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。
此外，ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。
ZnO薄膜所具有的这些优异特性，使其在表面声波器件、太阳能电池等诸多领域得到了广泛应用。
随着ZnO光泵浦紫外受激辐射的获得和n型掺杂的实现，ZnO薄膜作为一种新型的光电材料，在紫外探测器、发光二极管、激光二极管、紫外本发明公开了一种制备高质量氧化锌单晶薄膜的方法，其步骤为：对蓝宝石衬底表面进行预处理，修正和控制蓝宝石衬底的原子结构，以实现ZnO薄膜的单极性、单畴生长；然后采用三缓冲层法制备高质量ZnO薄膜，即首先利用蓝宝石氮化法在表面形成单极性AlN超薄层，然后依次沉积3~6nm的MgO岛状层及10~20nm左右的ZnO低温层，最后高温沉积ZnO外延层，实现失配应变的充分释放，得到原子级光滑的高质量ZnO薄膜。
我们提出的制备ZnO薄膜的三缓冲层法，是在公知的两步生长法上引入中间氮化层以及MgO三维岛状层，让由晶格大失配而引起的应变充分释放，从而克服了两步生长法制备ZnO薄膜时，薄膜应变无法完全消除的缺陷。
上述薄膜的RMS粗糙度都在1nm以下，完全满足制作高性能光电子器件的要求。
光探测器、透明电极气敏传感器以及光波导等有着广泛的应用前景[1]。
ZnO晶体为六方纤锌矿结构,六方晶系，空间群为P63m，晶格常数a=0.3246nm、c=0.5203nm[2]，图1和图2是根据文献[2]用Atoms61程序画的结构图。
磁控反应溅射制备AlN薄膜及其性能研究
湖南大学硕士学位论文磁控反应溅射制备AlN薄膜及其性能研究姓名：刘新胜申请学位级别：硕士专业：材料物理指导教师：周灵平20070401硕士学位论文摘 要 AlN薄膜具有一系列独特的优良物理化学性质，在电学、光学、声学和力学等方面有广阔的应用前景。
尤其是AlN具有热导率高、电阻率高、击穿场强大、介电系数小、热膨胀系数与GaN、GaAs等常用半导体材料匹配这些特性，使其被广泛用作微电子和功率器件的基板、封装、介质隔离材料。
本研究工作采用MIS800型多功能离子束磁控溅射复合镀膜设备，分别在45钢、硅、钼衬底上制备出了高质量的AlN薄膜。
首先用XRD和SEM测试手段对沉积在45钢衬底上的AlN薄膜的结晶性能和组织结构进行了表征。
结果发现，衬底温度、氮气浓度和工作气压对AIN薄膜的结晶性能和组织结构有很大的影响。
通过引入AlN缓冲层，使薄膜的择优取向由原本的（100）晶面向（002）晶面演变；并且使薄膜的生长模式从岛状生长向层状生长过渡，从而增加了薄膜致密度，有效的提高了薄膜的结晶质量，为生长高质量的AIN薄膜提供了实验依据。
其次，用划痕测试仪对各个衬底上薄膜的粘结强度进行表征，结果表明，薄膜与基体界面处的结合状态是影响AlN薄膜的粘结强度的关键因素。
一系列的对比实验后发现，低能离子束清洗衬底表面、引入界面过渡层、对不同的衬底采用不同工艺都可以有效提高AlN薄膜的粘结强度。
AlN薄膜的制备方法和工艺对薄膜的组织结构和应力等产生较大的影响，采用双靶磁控溅射共沉积能有效改善薄膜的粘结性能，衬底温度和工作气压对双靶磁控溅射共沉积AlN薄膜粘结强度有一定影响。
最后，用超高电阻测试仪和绝缘耐压仪对薄膜的电学性能进行了测试，AlN 薄膜的电阻率高达6.4×1013Om，击穿场强高达1.32MV/cm，薄膜中的Al/N比和薄膜结晶质量是影响AlN薄膜电学性能的主要因素。
关键词：ＡｌＮ薄膜；磁控溅射；结晶质量；粘结强度；电阻率；击穿场强 反应磁控溅射AlN薄膜制备及性能研究AbstractWurtzite Aluminum nitride (AlN) belongs to III–V semiconductor compounds with a hexagonal wurtzite crystal structure. Because of its high thermal conductivity, chemical stability, high hardness, high acoustic velocity, large electromechanical coupling coefficient and a wide band gap, AlN thin films have received great interest as a promising candidate electronic material for thermal dissipation, dielectric and passivation layers, surface acoustic wave (SAW) devices and photoelectric devices.In this paper, high quality AlN thin films were deposited on the 45 steel, Si and Mo substrates, respectively, by MIS800 ion beam sputtering and magnetron sputtering techniques simultaneously.Firstly, the crystallization properties and structures of AlN films deposited on the 45 steel were characterized by X-ray Diffraction (XRD) and Scanning Electronic Microscope (SEM). The results indicated that the sbustrate temperature, the concentration of Nitrogen gas and the working pressure had great effects on the crystallization properties and structures of AlN films. By introducing AlN buffer layer, the preferred orientation of films changed from (100) to (002), and the growth model changed from island-like to layer-like. These changes increased the density of films, improved the film’s crystallization quality. Our experiment results supplied a guide to yield AlN films with high quality.Secondly, the scratch test was adopted to measure the adhesion of AlN thin films deposited on different substrates; this study demonstrated that the combination in the film/underlay interface was the key factor in influencing the adhesion of AlN thin films. The adehison of the films can be improved by cleaning the sbustrate surface by low-energy ion beam, introducing the transition buffer between the interface and different technics for different substrates. The structure and stress of AlN films were influenced by the preparation method and the technics, and the properties of AlN films can be improved by employing dual targets reactive magnetron sputtering deposition method, while the temperature of underlay and working pressure were the important parameters of this method.Finally, the electronic performance of AlN films were tested by superhigh resistor test apparatus and insulate voltage test apparatus. The resistance ratio of films can be as high as 6.4×1013Om, breakdown field can be high as 1.32MV/cm. The main硕士学位论文factors which effected the electronic performance of AlN films were ratio of Al/N and the crystallization quality of the films.Key Words: AlN films; magnetron sputtering; crystalline quality; adhesion; resistivity; breakdown electric field湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
ga2o3薄膜的外延生长、高迁移率调控及相关机理研究
ga2o3薄膜的外延生长、高迁移率调控及相关机理研究概述：氧化镓（Ga2O3）是一种具有广泛应用前景的半导体材料，其具有高电子迁移率、高电场饱和漂移速度和宽带隙等优良性能。
因此，Ga2O3被广泛应用于高功率电子器件、光电器件和传感器等领域。
然而，Ga2O3材料的外延生长和迁移率调控等方面还存在一些挑战，限制了其应用的进一步发展。
因此，对Ga2O3薄膜的外延生长、高迁移率调控及相关机理进行深入研究具有重要意义。
外延生长：Ga2O3的外延生长主要有分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和气相输运（PVT）等方法。
其中，MBE和MOCVD是常用的方法。
MBE方法具有高纯度、高晶态、低缺陷等优点，但是生长速率较慢。
MOCVD方法生长速率快，但杂质控制较难。
为了获得高质量的Ga2O3薄膜，需要对生长条件进行优化，例如控制温度、气压、气体流量等参数。
高迁移率调控：Ga2O3的高迁移率是其应用于高功率电子器件的关键因素之一。
目前，主要的调控方法包括掺杂和表面处理两种。
掺杂可以通过掺杂杂质、控制掺杂浓度和掺杂方式等手段来提高Ga2O3的迁移率。
表面处理可以通过化学处理、热处理和氧化处理等方法来提高Ga2O3的表面质量和迁移率。
此外，研究Ga2O3材料的晶体结构、缺陷和电子结构等方面也有助于理解其迁移率的调控机制。
相关机理：Ga2O3材料的外延生长和迁移率调控涉及到多个物理和化学过程，例如晶体生长、掺杂、杂质扩散和表面反应等。
因此，研究这些过程的机理对于理解和优化Ga2O3材料的性能具有重要意义。
例如，研究Ga2O3材料的晶体生长机理可以优化生长条件，提高生长速率和晶体质量；研究Ga2O3材料的表面反应机理可以提高表面质量和迁移率。
此外，研究Ga2O3材料的缺陷和电子结构等方面也有助于理解其性能和调控机制。
总结：Ga2O3材料的外延生长、高迁移率调控及相关机理研究是当前材料科学研究的热点之一。
通过对这些方面的深入研究，可以优化Ga2O3材料的性能，拓展其应用领域。
中国电科46所取得高质量AlN单晶制备技
第51卷第12期2022年12月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.51㊀No.12December,2022简㊀㊀讯中国电科46所取得高质量AlN 单晶制备技术新突破氮化铝(AlN)晶体属于超宽禁带半导体材料,具有诸多优异的物理性能,是新一代高性能微波功率器件及紫外光电器件的理想衬底材料㊂AlN 单晶衬底及其相关器件一直是超宽禁带半导体领域的研究热点㊂AlN 晶体为六方纤锌矿结构,且具有很强的各向异性㊂在物理气相传输(physical vapor transport,PVT)法生长过程中,不同取向生长表面的表面能及生长速率差异很大,理想工艺条件下制备的晶体轮廓通常由(00.ʃ1)面㊁(10.n )面和(10.0)面等几个低指数晶面合围而成,晶体头部呈规则的六棱台形状㊂此外,晶体内部也不存在由小角晶界构成的 胞状结构(cellular geometry)㊂这些都是高质量AlN 晶体的重要特征㊂国内相关研究起步较晚,生长的晶锭大多为高度旋转对称的圆柱体或圆锥体,头部为弧面或锥面,这种晶锭图1㊀高质量AlN 晶体头部及其表面形貌㊂(a)晶体头部照片;(b)㊁(c)原子力显微镜下表面微观形貌图2㊀头部晶片的XRD 摇摆曲线㊂(a)某点(00.2)面的XRD 摇摆曲线;(b)某17mm ˑ17mm 区域(00.2)面的XRD FWHM 分布;(c)某点(10.2)面上的XRD 摇摆曲线;(d)某17mm ˑ17mm 区域(10.2)面的XRD FWHM 分布2178㊀简㊀㊀讯人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷内部通常存在较多的晶界或小角度晶界㊂中国电子科技集团公司第四十六研究所(简称中国电科46所)近年来在高质量AlN 籽晶培育㊁传热传质动态控制㊁长时间稳定生长等方面取得了重要突破,生长的AlN 单晶结晶质量得到了大幅度提升㊂AlN 晶体外廓由少数几个低指数晶面合围而成,晶体头部为规则的六棱台形状(见图1(a)),生长面为光滑平整的(00.1)面㊂原子力显微镜下的表面微观形貌观测结果显示,晶片表面的台阶流规整有序,未发现明显的台阶簇,更不存在晶界或亚晶界(见图1(b)㊁(c))㊂由图1(c)还可发现,在{10.n }面交汇处不同取向的台阶流呈120ʎ夹角,反映出高质量的台阶流生长模式㊂该晶片XRD 摇摆曲线五点测试结果如图2所示,其(00.2)面及(10.2)面XRD 半峰全宽(full width at half maximum,FWHM)均低于100ᵡ,反映出晶体较高的结晶质量及均匀性㊂目前,中国电科46所可以稳定制备1英寸及2英寸高质量AlN 单晶衬底(见图3),同时也在积极探索更大尺寸单晶的生长工艺㊂图3㊀高质量AlN 单晶片㊂(a)1英寸晶片;(b)2英寸晶片(中国电科46所供稿)。
AlN晶体
晶体简介ＡｌＮ晶体是第三代半导体材料的典型代表之一，具有宽带隙、高热导率、高电阻率、良好的紫外透过率、高击穿场强与较强的抗辐射能力，因而更适合用于制造高温、高频、抗辐射及大功率器件，如高能效光电子器件、高功率电子器件、固态激光探测器、高密度固态存储器等。
同时，ＡｌＮ晶体也是外延生长Ⅲ族氮化物的理想衬底材料，能够弥补Ｓｉ衬底、蓝宝石衬底、ＳｉＣ衬底等所存在的晶格失配大、热失配大的缺点。
国际状况国外多家研究机构进行了大量的工作，在晶体的尺寸、商品级ＡｌＮ晶圆的开发以及紫外ＬＥＤ的研制等方面取得了一定的成果。
美国ＣｒｙｓｔａｌＩＳ公司制备的高质量ＡｌＮ衬底已成功应用于紫外ＬＥＤ、深紫外量子阱ＬＥＤ以及毫瓦级深紫外ＬＥＤ等器件的制造。
俄罗斯Ｎ－Ｃｒｙｓｔａｌｓ公司也利用商品级ＡｌＮ衬底，制造了深紫外ＬＥＤ，其性能明显优于利用蓝宝石衬底制造的同类器件。
德国埃朗根－纽伦堡大学进行的研究包括籽晶晶向对ＡｌＮ生长的影响、ＡｌＮ晶圆的光吸收图谱分析，到２０１１年已利用ＡｌＮ籽晶生长出直径为２５ｍｍ、厚度为１５ｍｍ的ＡｌＮ体单晶。
美国北卡罗莱纳州立大学于２０１０年获得了直径为１５ｍｍ、高度为１５ｍｍ的无裂纹ＡｌＮ晶圆，并于２０１１年利用ＡｌＮ衬底外延生长了高质量的ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ薄膜等ＡｌＮ。
同年的工作还包括完成了２６５ｎｍＬＥＤ的制造与表征。
国内状况国内对于ＡｌＮ晶体生长技术的研究尚处于起步阶段，主要研究机构有山东大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院物理研究所、深圳大学光电子研究所等。
２００６年，山东大学研究了在ＢＮ坩埚内制备ＡｌＮ单晶，着重分析了生长温度对晶体形貌的影响，其中，在２２００～２３００℃得到了长度为几毫米的块状晶体。
２００７年，中国科学院半导体研究所利用物理气相传输法制备出长４０～５０ｍｍ、厚８～１０ｍｍ的多晶锭。
深圳大学郑瑞生教授的小组报道了一种制备ＡｌＮ晶体的新方法，通过在钨坩埚盖中心位置开小孔来控制反应条件与结晶过程，制备出直径大于２ｍｍ的ＡｌＮ单晶。
在蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜的MOCVD工艺研究
摘要第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景，目前制备GaN的方法主要有分子束（MBE）、氯化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。
本文介绍了MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长GaN材料并利用其无掩模横向外延生长GaN 薄膜与同样生长条件下，在未经腐蚀预处理的蓝宝石衬底上外延的GaN 薄膜进行对比测试[1]。
测试分析结果表明，经过腐蚀预处理的GaN 衍射峰的半峰宽及强度、表面平整度、腐蚀坑密度都明显优于未经腐蚀预处理的GaN 薄膜，使原有生长条件下GaN薄膜位错密度下降50%。
并且通过Hal l 测试、x 射线双晶衍射结果、室温PL 谱测试[2]成功地制备出GaN单晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步测试结果。
测试研究发现增加缓冲层厚度、多缓冲层结构可以有效地降低位错密度、提高薄膜质量，其中通过中温插入层结构实验获得了质量最好的GaN 外延层[3]。
关键字：GaN MOCVD 蓝宝石衬底预处理缓冲层外延生长STUDY OF EPITAXIAL LATERAL OVERGROWTH OF GALLIUM NITRIDE ON SAPPHIRE BYMOCVDByHaiqing JiangSupervisor: Prof.Xianying DaiABSTRACTGallium-nitride-semiconductor offers good potential value for application in a wide range of optical display, optical recording and illumination due to its excellent quality. At present, molecular beam epitaxity (MBE), Chloride vapor phase epitaxy (HVPE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used to prepare GaN.This text introduces overgrowth of Gallium-nitride on sapphire by MOCVD and compares the result with that on non-corrode sapphire. The results proved that thinner full-width at half- maximum(FWHM)，higher intensity value of X-ray diffraction，smoother surface and lower density value of the etching pit were received using patterned substrate, which made sure that under the same growth process the density of the dislocations decreased 50%.After that, it also uses Hall Test, X-ray macle diffraction Test, and PL Spectrum Test under room temperature to check the GaN thin-film material. The results showed that multi-buffer-layer structure could decrease the density of the dislocations and improve the quality of the crystal structure. The GaN epilayer with Intermediate-Temperature insert layer had the best results of all the samples.KEY WORDS: GaN MOCVD surface pretreatment on sapphire substrate cushion epitaxial growth第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性1.2现有的GaN 基化合物的制备技术1.3GaN 现有制备技术对比第二章 MOCVD 中影响成膜因素第三章蓝宝石衬底表面预处理3.1蓝宝石衬底与处理的原因3.2实验探究与结果分析第四章研究缓冲层结构及其改进4.1传统缓冲层及其局限4.2实验探究及其结果分析第五章GaN 薄膜的生长研究5.1GaN材料的生长5.2生长的GaN 材料的测试结果第六章结论致谢参考文献第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性GaN 首先由Johnson 等人合成，合成反应发生在加热的Ga 和NH3 之间，600~900℃的温度范围，可生成白色、灰色或棕色粉末(是含有O 或未反应的Ga 所致)[4]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
深度研究报告：脉冲激光沉积法外延生长大面积AlN单晶薄
膜及其生长机理研究
1. 研究目标
本研究旨在通过脉冲激光沉积法外延生长大面积AlN单晶薄膜，并深入探究其生长
机理。具体研究目标如下：
1. 确定脉冲激光沉积法外延生长AlN单晶薄膜的最佳工艺参数；
2. 研究不同工艺参数对AlN薄膜生长速率和质量的影响；
3. 探究薄膜生长过程中的表面形貌演变和结构特征；
4. 分析AlN薄膜的晶体结构、晶格缺陷和应力分布情况；
5. 探讨生长机理，解释脉冲激光沉积法外延生长AlN单晶薄膜的原理。
2. 方法
2.1 实验材料准备
选取高纯度金属铝（Al）和氮化铝（AlN）作为实验材料。通过精细研磨和超声清
洗等步骤，制备出表面光洁且无污染的AlN衬底。
2.2 实验装置搭建
搭建脉冲激光沉积法外延生长实验装置，包括脉冲激光源、衬底加热装置、反应室
和气体供给系统等。确保实验装置的密封性和稳定性。
2.3 实验参数优化
通过对脉冲激光能量、激光频率、衬底温度和气体流量等参数的调节，优化外延生
长过程中的工艺参数，以获得高质量的AlN单晶薄膜。
2.4 表征分析
使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、
原子力显微镜（AFM）等仪器对生长的AlN薄膜进行表面形貌、晶体结构和缺陷分
析。
3. 发现
3.1 AlN薄膜生长速率和质量的影响因素
研究发现，脉冲激光能量和激光频率是影响AlN薄膜生长速率和质量的关键参数。
适当增加脉冲激光能量和减小激光频率可以提高薄膜生长速率，但过高的能量和过
低的频率会导致薄膜表面粗糙度增加和结晶质量下降。
3.2 AlN薄膜的表面形貌演变和结构特征
通过SEM和AFM观察，发现AlN薄膜的表面形貌随着生长时间的增加呈现出从粗糙
到光滑的演变过程。TEM分析表明，薄膜具有良好的晶体结构和较低的缺陷密度。
3.3 AlN薄膜的晶体结构、晶格缺陷和应力分布情况
XRD分析显示，AlN薄膜具有高度择优取向生长，主要面向为(0001)面。通过TEM
观察，发现AlN薄膜中存在部分位错和晶格缺陷，但缺陷密度相对较低。通过测量
薄膜的应力分布，发现薄膜在生长过程中会产生一定的残余应力。
4. 结论
本研究通过脉冲激光沉积法外延生长大面积AlN单晶薄膜，并深入探究了其生长机
理。以下是研究的主要结论：
1. 通过优化脉冲激光能量和激光频率等参数，可以获得高质量的AlN单晶薄膜；
2. AlN薄膜的表面形貌在生长过程中经历了从粗糙到光滑的演变；
3. AlN薄膜具有良好的晶体结构和较低的缺陷密度；
4. AlN薄膜在生长过程中会产生一定的残余应力。
综上所述，脉冲激光沉积法外延生长大面积AlN单晶薄膜是一种可行且有效的方法，
并具有广泛的应用前景。深入理解AlN薄膜的生长机理对于进一步提高生长质量和
控制薄膜性能具有重要意义。
参考文献：
[1] Hu J., et al. (2019). Growth and characterization of AlN films on
sapphire substrates by pulsed laser deposition. Journal of Crystal
Growth, 508, 161-166.
[2] Li Y., et al. (2020). Influence of laser energy and frequency on
the properties of AlN thin films grown by pulsed laser deposition.
Applied Surface Science, 505, 144489.
[3] Wang H., et al. (2018). Growth mechanism and surface morphology
evolution of AlN films deposited by pulsed laser deposition. Journal of
Applied Physics, 124(11), 115303.