高温退火对AlN晶体光学性质的影响研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0042

摘要/Abstract

摘要： 本文采用物理气相传输法生长AlN单晶，对其进行高温退火处理，通过调节高温退火时间、温度等条件，获得在深紫外波段具有高透过性能的AlN单晶，同步开展表面形貌、结晶质量及光学性质的表征。结果表明，高温退火工艺可有效降低AlN晶体的缺陷密度，进一步提升AlN晶体的结晶质量，（0002）面摇摆曲线的半峰全宽可由91.2″降低至28.5″。然而，退火温度过高（1 900 ℃）会导致晶片表面出现热腐蚀形貌，深紫外及可见光区域均无光学透过性能。高温退火工艺对AlN晶片中心无色区域的光学性质无明显影响，对边缘有色区域光学透过性能提升显著。与未处理的AlN晶片相较，7 h、1 800 ℃退火工艺对光学性质的提升效果最为显著，在265 nm处的透过率由23.59%提升至48.61%，吸收系数由45.26 cm^-1降低至22.59 cm^-1。本研究对AlN基光电器件的性能提升具有一定的理论指导。

关键词: 高温退火; AlN单晶; 点缺陷; 光学吸收; 紫外透过率

Abstract: In this paper，AlN single crystals were grown by physical vapor transport method and subjected to high-temperature annealing treatment. By adjusting the high-temperature annealing time，temperature and other parameters，AlN single crystals with high transmission performance in the deep-ultraviolet band were successfully obtained. The surface morphology，crystalline quality and optical properties were systematically characterized. The results indicate that high-temperature annealing process effectively reduces the defect density and significantly improves the crystalline quality of AlN crystals. Specifically，the full width at half maximum of （0002） plane rocking curve decreases from 91.2″ to 28.5″. However，high annealing temperature （1 900 ℃） leads thermal corrosion morphology on the wafer surface and there is no transmittance in the deep-ultraviolet and visible light regions. The high-temperature annealing process has no significant effect on the optical properties of the central colorless region of the AlN wafer，and significantly improves the optical transmission performance of the colored edge region. Compared with AlN wafers before annealing，the most significant effect on the improvement of optical properties is achieved under annealing process at 1 800 ℃ for 7 h. The transmittance at 265 nm increases from 23.59% to 48.61%，and the corresponding absorption coefficient decreases from 45.26 cm^-1 to 22.59 cm^-1. The research provides theoretical guidance for improving the performance of AlN-based optoelectronic devices.

Key words: high-temperature annealing; AlN single crystal; point defect; optical absorption; ultraviolet transmittance

中图分类号:

TN304.2

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图/表 10

图1 不同高温退火条件下AlN晶片的工艺曲线。（a）不同退火时间；（b）不同退火温度

Fig.1 Process curves of AlN wafers under different high-temperature annealing conditions. （a） Different annealing time；（b） different annealing temperatures

图2 AlN晶片在未退火及1 800 ℃下经3、5和7 h恒温退火处理后的照片

Fig.2 Photographs of AlN wafers before annealing and after isothermal annealing treatments at 1 800 ℃ for 3，5 and 7 h

图3 AlN晶片在未退火及经1 700、1 800及1 900 ℃恒温7 h退火处理后的照片

Fig.3 Photographs of AlN wafers before annealing and after isothermal annealing treatments at 1 700，1 800 and 1 900 ℃ for 7 h

图4 AlN晶片在退火处理前、后的（0002）面摇摆曲线FWHM

Fig.4 FWHM of （0002） plane rocking curves for AlN wafers before and after annealing treatment

图5 AlN晶片在不同退火时间下的显微形貌。（a）SEM照片；（b）AFM照片

Fig.5 Micrographs of AlN wafers for different annealing time. （a） SEM images；（b） AFM images

图6 AlN晶片在不同退火温度下的显微形貌。（a）SEM照片；（b）AFM照片

Fig.6 Micrographs of AlN wafers at different annealing temperatures. （a） SEM images；（b） AFM images

图7 中心无色区域在不同退火时间下的光学光谱。（a）、（b）紫外-可见透射光谱及其透过率演变规律；（c）、（d）紫外-可见吸收光谱及其吸收系数演变规律；（e）、（f）（αhν）2-hν曲线及其禁带宽度演变规律

Fig.7 Optical spectra of central colorless region for different annealing time. （a），（b） UV-Vis transmission spectra and transmittance evolution；（c），（d） UV-Vis absorption spectra and absorption coefficient evolution；（e），（f）（αhν）2-hν curves and band gap evolution

图8 边缘有色区域在不同退火时间下的光学光谱。（a）、（b）紫外-可见透射光谱及其透过率演变规律；（c）、（d）紫外-可见吸收光谱及其吸收系数演变规律；（e）、（f）（αhν）2-hν曲线及其禁带宽度演变规律

Fig.8 Optical spectra of edge colored region for different annealing time. （a），（b） UV-Vis transmission spectra and transmittance evolution；（c），（d） UV-Vis absorption spectra and absorption coefficient evolution；（e），（f）（αhν）2-hν curves and band gap evolution

图9 中心无色区域在不同退火温度下的光学光谱。（a）、（b）紫外-可见透射光谱及其透过率演变规律；（c）、（d）紫外-可见吸收光谱及其吸收系数演变规律；（e）、（f）（αhν）2-hν曲线及其禁带宽度演变规律

Fig.9 Optical spectra of central colorless region at different annealing temperatures. （a），（b） UV-Vis transmission spectra and transmittance evolution；（c），（d） UV-Vis absorption spectra and absorption coefficient evolution；（e），（f）（αhν）2-hν curves and band gap evolution

图10 边缘有色区域在不同退火温度下的光学光谱。（a）、（b）紫外-可见透射光谱及其透过率演变规律；（c）、（d）紫外-可见吸收光谱及其吸收系数演变规律；（e）、（f）（αhν）2-hν曲线及其禁带宽度演变规律

Fig.10 Optical spectra of edge colored region at different annealing temperatures. （a），（b） UV-Vis transmission spectra and transmittance evolution；（c），（d） UV-Vis absorption spectra and absorption coefficient evolution；（e），（f）（αhν）2-hν curves and band gap evolution

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