特邀綜述推介｜PVT法AlN單晶生長技術研究進展及其面臨挑戰

2020-09-12 寬禁帶聯盟


作為第三代半導體材料，AlN具有超禁帶寬度、高熱導率、高擊穿場強、高熱穩定性及良好的紫外透過率等優異性能，是紫外/深紫外LED、紫外LD最佳襯底材料，同時也是高功率、高頻電子器件理想襯底材料。而PVT工藝被公認為是目前製備AlN體單晶最佳方法，也一直是AlN體單晶生長的研究熱點與難點。《人工晶體學報》2020年第7期特別推出上海大學吳亮教授團隊關於AlN單晶生長技術方面的特邀綜述文章。文中，作者全面綜述了AlN單晶的晶體結構、基本性質、PVT法生長AlN晶體的原理與生長習性，以及基於AlN單晶PVT生長策略的各種工藝研究歷程。最後對PVT法生長AlN單晶的發展趨勢及其面臨的挑戰進行了展望。

圖文導讀


圖1 AlN晶體六方纖鋅礦結構及成鍵類型


圖2 六方纖鋅礦結構AlN晶體的常規晶面分布


表1 AlN與其他半導體材料物理性能對比

圖3 PVT法生長AlN單晶工藝窗口（生長氣壓、溫度倒數之間關係）


圖4 (a)晶體習性與生長溫度的關係；(b)AlN典型特徵面


圖5 採用自發形核工藝生長的AlN單晶


圖6 大尺寸AlN單晶襯底樣片


圖7 採用同質外延工藝生長的AlN單晶


圖8 採用異質外延工藝生長的AlN單晶


小　　結


AlN晶體結構有六方纖鋅礦（α-phase）和立方閃鋅礦（β-phase）兩種結構，其中六方纖鋅礦結構為穩定結構。其理論計算熔點在2700 ℃以上，實際在1700 ℃以上即開始少量分解，並隨溫度升高而加劇。AlN 屬於直接帶隙電子型半導體（N-type），禁帶寬度為6.2 eV。近幾十年來各國研究人員致力於AlN單晶生長的深入研究，並開發了各種生長工藝方法，如氫化物氣相外延法（HVPE）、金屬有機物化學氣相沉積法（MOCVD）、分子束外延法（MBE）、原子層沉積技術（ALD）及物理氣相傳輸法（PVT）等。

本論文在詳細介紹AlN晶體結構、性質及其巨大應用潛力基礎上，針對當前PVT法生長AlN所面臨的技術難題、挑戰和未來的發展趨勢等展開綜述。重點聚焦PVT工藝製備大尺寸、高質量AlN體單晶，從該工藝的生長原理到AlN晶體的自發生長習性，再到PVT工藝生長AlN晶體中的三種生長策略——自發形核生長、同質外延生長、異質外延生長展開論述。同時作者也對PVT工藝中雜質和缺陷控制等核心問題進行了解析並提出應對策略。

經過多年的持續深入研究，儘管AlN晶體生長技術取得了令人鼓舞的進展，但仍存在晶體尺寸偏小、晶體質量有待進一步提升、供應量極其有限及價格昂貴等問題。AlN單晶的製備無論是從生長理論完善還是工藝技術實現上仍面臨諸多挑戰。

我國對AlN晶體生長技術的研究起步較晚，但相關科研機構和企業如山東大學、中科院半導體所、中科院物理所、深圳大學、哈爾濱工業大學、北京大學、上海大學、中國電子科技集團公司第四十六研究所及奧趨光電技術（杭州）有限公司等均開展了相關研究，在PVT晶體生長自動化裝備及工藝創新方面進展迅速，某些關鍵技術指標甚至已處於世界領先地位。相信在國家對寬禁帶半導體技術的重視和支持下，在科研人員及產業界共同努力下，AlN單晶生長技術及其配套裝備產業必將取得更大的發展。

通訊作者簡介


吳亮（1972—），男，分別畢業於比利時魯汶大學、清華大學及大連理工大學，獲博士、碩士及本科學位，現為上海大學特聘教授，博士生導師，《人工晶體學報》編委。

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