第三代半导体材料是我国十三五规划的重要组成部分,作为第三代半导体材料的AlN是一种性能优异的Ⅲ-V族氮化物材料,具有宽的禁带宽度、高的表面声波速度以及高的热导率,成为紫外与深紫外光电子器件、表面声波器件、集成电路绝缘层等领域的首选材料。目前常见制备AlN外延薄膜的衬底有蓝宝石和SiC,但蓝宝石衬底导电导热性能差,SiC衬底价格昂贵,因此限制其商业化发展。Si衬底因价格低廉、工业化成熟以及大尺寸易制备等优势广受关注。然而由于Si衬底与AlN间较大的晶格失配和热失配,Al吸附原子在生长面上迁移率低以及金属有机化合物气相沉积技术(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)生长AlN时寄生预反应严重,采用MOCVD技术在Si衬底上外延生长高质量AlN薄膜仍面临严峻的挑战。本论文针对上述问题,围绕基于MOCVD的关键工艺参数优化和AlN外延层结构设计开展一系列工作,主要研究内容和结论如下:(1)优化采用MOCVD技术生长Al N的关键工艺条件,获得Si衬底上AlN外延薄膜的生长特性。首先,研究了预铺铝技术对AlN外延薄膜的影响,结果表明,预铺铝技术能够有效改善Si衬底上AlN外延薄膜的质量,且预铺铝温度对AlN外延薄膜质量有显著影响。随后,详细讨论采用MOCVD技术生长AlN外延薄膜的关键工艺参数,包括生长温度、V/Ⅲ比、反应腔气氛组成对AlN外延薄膜晶体质量、表面形貌和生长速率的影响,分析了各种生长工艺参数对AlN外延薄膜生长模式的影响,为高质量AlN外延薄膜的生长奠定基础。(2)提出一种两步生长法,有效改善Si衬底上AlN外延薄膜质量。先生长第一层高V/Ⅲ比的AlN释放衬底与外延材料的失配应力并提供较多成核中心;第二层低V/Ⅲ的AlN加快Al吸附原子迁移扩散促进薄膜愈合。同时,通过调节第一层AlN厚度和第二层AlN的生长条件,有效提高AlN外延薄膜的质量。所获得AlN外延薄膜(0002)面XRC的FWHM为0.47°,表面RMS为0.78 nm,且薄膜的翘曲度为6.4mm,相较于单步法生长的AlN外延薄膜中的张应力减小。(3)采用低温AlN插入层技术,实现Si衬底上高质量AlN外延薄膜的生长。研究表明,低温AlN插入层相当于一层“缺陷层”,这层“缺陷层”有助于减少AlN外延薄膜中累积应力和抑制穿透位错的延伸。同时,通过优化低温AlN插入层温度和厚度,使最终获得(0002)面XRC的FWHM为0.41°,表面RMS为0.52 nm的高质量AlN外延薄膜。综上,本论文分析了不同生长条件对AlN外延薄膜的影响及其中的影响机制,并设计了合理的AlN外延层结构,为Si衬底上获得高质量AlN外延薄膜提供指导与参考。