中国粉体网讯 氮化铝（AlN）是极具应用潜力的超宽禁带半导体材料，具有很多优良的性质。其禁带宽度高达6.2eV，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高化学和热稳定性，以及高导热、抗辐射等优异性能。是紫外/深紫外LED、紫外LD最佳衬底材料，也是高功率、高频电子器件理想衬底材料。此外，AlN具有优良的压电性、高的声表面波传播速度和较高的机电耦合系数，是GHz级声表面波器件的优选压电材料。
AlN单晶晶锭与衬底（来源：奥趋光电）
1 AlN单晶PVT生长
与SiC单晶生长类似，AlN单晶无法通过熔体法而只能采用物理气相传输（PVT）法进行生长。
AlN单晶PVT生长有三种重要的生长策略：
1）自发形核生长
2）4H-/6H-SiC衬底异质外延生长
3）同质外延生长
AlN单晶衬底生产流程（来源：HexaTech）
其中，同质外延生长法可以使用自发形核生长获得的小尺寸AlN晶体作为籽晶进行扩晶生长，由于其无晶格失配影响，能维持甚至改善外延晶体质量，同时实现扩大晶体尺寸的优势，是生长AlN单晶的最终极目标。
同质外延生长工艺过程的温度范围为2050~2320℃之间，其生长过程的温度梯度通常在5~50℃/cm范围内，氮气压一般设置在300~900mbar，以维持合理的过饱和度及长晶速率。
工业界常使用晶化提纯后的AlN原料放置于封闭或半开放坩埚系统内，生长系统内充满高纯氮气，在高温大于2000℃下，反应性的升华蒸气在温度梯度、浓度梯度等作用下传输至低温区进行再结晶与生长。通常，坩埚系统使用垂直结构，其中原料区位于坩埚的下部，再结晶区位于坩埚的上部。
AlN单晶PVT生长炉典型热场结构及坩埚系统（来源：奥趋光电）
2 AlN单晶生长关键技术问题
与近10年来SiC晶体的快速发展相比，AlN单晶生长技术进展非常缓慢，AlN同质外延生长工艺仍面临众多挑战，如在外延迭代过程中，必须同时掌握诸如热场优化、原料杂质控制、高质量籽晶获取、小籽晶加工与固定及初始形核生长、寄生形核、缺陷增殖与极性控制等一系列关键技术问题。
2.1 籽晶固定是同质生长AlN晶体中至关重要的问题
籽晶一般通过化学、机械或热粘结的方法固定在支撑台上。但由于籽晶与衬底之间存在着热失配，会导致晶体裂纹的出现。此外，籽晶与衬底之间的任何微孔或孔隙都将会导致籽晶的背面升华。籽晶背面升华后在更低温度处凝华，导致晶体间出现微孔，并向高温方向（生长方向）移动，甚至贯穿整个晶体。微孔的高速移动不仅会造成晶体结构的破坏，对后续外延AlN晶体的质量也会受到严重的影响。一般采用与籽晶的热膨胀系数相匹配的籽晶托台材料，可以解决冷却过程中晶体破裂等问题，也有些研究机构研究诸如背面电镀和氮化密封等新技术。
2.2 合适的温度场对同质外延生长尤其重要
在籽晶前沿形成凸形的温度场，可以抑制1mm生长厚度内棱柱面{10-10}形成，但过凸的温度场会导致生长的晶体内热应力过大，从而导致位错密度的增殖，严重时会导致晶体的开裂与多晶寄生。由于AlN晶体生长温度高、周期长、热场成本高，精细的温度场设计、调控及优化需使用数值模拟仿真技术。因此，数值模拟仿真技术软件是研究AlN晶体生长过程不可或缺的关键技术。
3 AlN单晶衬底企业
PVT法生长AlN与SiC体单晶基本同时起步于20世纪70年代。随着宽禁带半导体技术的兴起，及AlN优异性能与潜在应用前景，众多科研机构及企业在PVT法制备AlN单晶方面做出了长期不懈努力，但与目前较为成熟的SiC等衬底材料相比，AlN单晶生长及其衬底制备具有更高的技术难度、更高的复杂性和更高的成本等特点。
目前８英寸SiC单晶已经开始逐步商业化，但AlN单晶最大尺寸仅为60ｍｍ，且全球有能力生长出２英寸AlN单晶的企业／研发机构极其有限。
3.1 Crystal IS
Crystal IS由Leo Schowalter和Glen Slack于1997年创立，是一家AlN基板紫外线发光二极管（UVC LED）开发领域的市场领先公司，旨在开发原生AlN衬底技术，以实现更强大、更可靠的半导体器件。Crystal IS科研工作者开发了专利工艺，用于在AlN衬底上生长有源晶体层（如LED），同时保持AlN的低缺陷密度。
Crystal ISAlN晶锭（来源：Crystal IS）
2012年1月11日，Crystal IS宣布与旭化成株式会社（Asahi Kasei）合并。作为旭化成全资子公司，合并将使Crystal IS得以利用旭化成在产品工程和卓越制造方面的优势更快地实现UVC LED商业化。此项合并的生效日期为2011年12月28日。
3.2 HexaTech
HexaTech成立于2001年，是世界领先的单晶PVT生长AlN衬底的商业供应商，已成功解决了复杂的材料科学和工程挑战，将高质量的散装AlN商业化用于批量生产。
2013年11月8日，HexaTech展示了世界上第一个直径为33mm、无宏观结构缺陷的单晶球，为高质量2英寸直径AlN衬底材料的开发铺平了道路。
HexaTech AlN单晶球（来源：HexaTech）
2018年4月24日，HexaTech宣布推出其2英寸直径AlN基板产品线。
2019年5月7日，HexaTech推出了第一个已知的无缺陷2英寸直径AlN基板。
2020年3月，HexaTech被Stanley Electric收购。
2020年4月21日，HexaTech宣布推出其深紫外透明2英寸直径单晶AlN基板产品线。该功能旨在直接支持高性能紫外线C（UV-C）波长发光二极管（LED）的商业化生产。
3.3 奥趋光电
奥趋光电是由海归博士团队、半导体领域顶尖技术专家领衔，于2016年5月创立的高新技术、创新型企业。
2016年8月，奥趋光电研发团队通过自主设计，成功开发出具备完整知识产权的第一代PVT法全自动AlN单晶气相沉积炉。
AlN单晶气相沉积炉（来源：奥趋光电）
2018年11月，奥趋光电基于自主设计开发的第二代全自动AlN单晶气相沉积炉，成功研发出全球首批直径60mm的高质量AlN单晶，并在全球紫外材料与器件国际会议（IWUMD-2018）上展示了世界首批60mm AlN晶片样片。
2019年4月，奥趋光电应诺贝尔物理奖获得者天野浩教授为会议主席的组委会邀请，在日本横滨举行的LED工业应用国际会议（LEDIA-2019）上，宣布正式推出了全球首批60mm AlN单晶及晶圆产品样片。
目前，奥趋光电可向客户提供1英寸/2英寸高质量AlN单晶衬底、2/4/6英寸蓝宝石基/硅基/SiC基AlN、AlN钪薄膜模板、AlN单晶气相沉积炉及热处理设备等产品。同时向客户及合作伙伴提供从设备设计、热场设计、热场模拟仿真技术开发、咨询及生长工艺优化到晶圆制程等全环节的完整工艺解决方案与专业技术服务。
4 机遇与挑战
我国对AlN晶体生长技术的研究起步较晚，“在此之前，美国在全球AlN单晶及晶圆制造方面，可达的最大直径为2英寸（50.8mm），长期处于技术垄断地位。”正如奥趋光电CEO兼总经理吴亮所说。
目前，世界各国为研发大尺寸氮化铝单晶作出了长期不懈努力，但进展缓慢。尽管国内对氮化铝晶体生长技术的研究起步较晚，但最近几年在PVT晶体生长自动化装备及工艺创新方面进展迅速，某些关键技术指标甚至已处于世界领先地位。2021年10月，松山湖材料实验室第三代半导体团队和北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心王新强教授团队共同研制出4英寸无开裂高质量氮化铝单晶模板，为降低深紫外发光器件的成本清除了最主要障碍，可推动深紫外发光器件的普及。
我们相信在国家对宽禁带半导体技术的重视和支持下、在科研人员及产业界共同努力下，我国氮化铝单晶生长技术及其配套装备产业必将取得更大的发展。
资料来源：
奧趋光电、松山湖材料实验室、人工晶体学报、HexaTech、Crystal IS
1、奧趋光电技术（杭州）有限公司 王琦琨.超宽禁带半导体材料--AlN单晶.人工晶体学报
2、奧趋光电技术（杭州）有限公司 王琦琨.奥趋光电在AlN单晶生长领域取得突破性进展.人工晶体学报
3、北京中材人工晶体研究院有限公司 张伟儒 陈建荣.宽禁带半导体AlN晶体发展现状及展望
（中国粉体网编辑整理/长安）
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