AlN單晶襯底以其優(yōu)異的性能和潛在的應用前景引起了人們的廣泛研究興趣. 物理氣相輸運（PVT）是最適合AIN襯底制備的方法。在大尺寸SiC單晶上異質生長AlN籽晶，并在隨后的同質生長中迭代優(yōu)化AlN的晶體質量，是制備大尺寸AlN襯底的重要技術路線。然而，這一大尺寸AlN單晶制備技術面臨諸多的挑戰(zhàn)，包括異質生長中SiC在AlN生長溫度下的分解對籽晶表面的刻蝕，導致AlN晶體質量差和形貌粗糙，以及在大尺寸同質生長中抑制熱應力弛豫導致的裂紋，以及生長晶體和表面質量控制和優(yōu)化。
近日，第九屆國際第三代半導體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導體照明論壇（SSLCHINA）于廈門召開。期間，“氮化物襯底、外延生長及其相關設備技術”分會上，北京大學教授于彤軍做了“大尺寸AlN單晶生長研究”的主題報告，分享了SiC上AlN異質PVT生長的形貌控制和2-4英寸AlN同質PVT生長的最新研究進展。
報告指出，研究了SiC襯底上AlN異質PVT生長的形貌控制規(guī)律，明確了SiC表面臺階是 AlN臺階式生長并且取得高質量生長表面的前提條件；提出了SiC襯底上兩部生長法的AlN異質PVT方法，獲得了高質量接近3英寸的AlN／SiC籽晶；基于AlN籽晶的同質生長過程，通過蔓延生長方式，實現(xiàn)晶體形貌和質量的優(yōu)化，在大尺寸熱流場耦合控制的條件下，初步實現(xiàn)了2代4英寸AlN晶體的生長。
報告中于教授詳細介紹了研究進展與結果。研究首先結合計算流體動力學（CFD)模擬和 PVT生長實驗，研究了SiC襯底上AlN的PVT生長的表面控制。結果表明，在活性Al蒸氣的PVT生長中，保持有宏觀臺階的SiC襯底的表面結構十分重要，這需要在初始階段將生長溫度和壓力限制在適當?shù)姆秶鷥龋钡紸lN層完全覆蓋SiC表面。研究還發(fā)現(xiàn)在后續(xù)的生長中，襯底表面附近的過飽和度控制對生長模式具有重要的影響。過飽和度增加導致從二維生長向三維生長的轉變，從而使表面形貌變得粗糙。研究發(fā)現(xiàn)在500 mbar的壓力下，相應的模式轉變溫度Ttran在1890°C到1910°C之間。以此為基礎，提出了兩步法生長的方案，即先將生長溫度Tg保持在接近SiC表面宏觀可以保持的溫度上限生長，在SiC表面被AlN覆蓋后，將Tg升高到接近Ttran，以較高的速率進行生長。運用兩步法，實現(xiàn)了厚度為824μm的表面光滑呈鏡面狀的2英寸以上的AlN單晶。
在大的AlN籽晶上，研究開展了兩次迭代同質PVT生長，進行了4英寸AlN單晶的生長。大尺寸AlN晶體同質PVT過程以宏觀三維模式下生長棱柱狀晶粒為主要特點，而蔓延生長可以通過高指數(shù)面引導的晶柱融合實現(xiàn)形貌優(yōu)化和晶體質量優(yōu)化。運用生長速率對應的與溫度和壓力的匹配關系，可以實現(xiàn)高效率的PVT蔓延生長，提高c面取向的一致性和晶體質量。運用這一方法，在已經實現(xiàn)的2英寸單晶襯底制備的基礎上，進一步完成2代的4英寸的AlN晶體同質PVT迭代生長。
研究結果顯示，通過表面形貌控制的二步生長法，可以在SiC襯底上異質PVT生長出大尺寸高質量AlN晶體，并以此為籽晶，通過蔓延式生長方法迭代進行同質PVT生長，可以獲得優(yōu)化的2-4英寸的單晶襯底。這一研究結果，為實現(xiàn)大尺寸AlN單晶襯底的規(guī)模化制備和產業(yè)應用提供了技術基礎。
嘉賓簡介
于彤軍，1999年在日本國立東北大學獲得博士學位，1999年至2001年在日本郵政省通訊放送機構仙臺研究中心任特聘研究員，現(xiàn)為北京大學物理學院教授，博士生導師。長期從事寬禁帶半導體發(fā)光材料、物理和器件研究，在氮化物晶體、薄膜材料以及納米結構外延生長機理研究、缺陷和應力控制、AlGaN基深紫外發(fā)光偏振光學特性和光場調控方面取得一系列成果。2016年起開展AlN單晶生長研究，實現(xiàn)了PVT法2英寸AlN晶體生長，承擔科技部十四五重點研發(fā)計劃項目、基金委重點項目等多項科研項目。共發(fā)表 SCI 收錄論文 120 余篇，獲得授權/申請國家發(fā)明專利 30 余件，曾獲中國光學學會光學科技獎一等獎、教育部科技進步二等獎和北京市科學技術三等獎。
