奥趋光电成功制备出高质量3英寸氮化铝单晶

奥趋光电于近期成功实现了氮化铝（AlN）晶体从2英寸到3英寸的迭代扩径生长（见图一），制备出了直径达76 mm的铝极性AlN单晶锭及3英寸衬底样片（见图二）。此3英寸AlN单晶锭及衬底样片的成功制备被认为是4英寸AlN商业化之路上的一大重要里程碑。

AlN单晶材料生长至今已有近50年的历史，但由于AlN晶体的生长工艺技术难度高、研发成本高，造成其发展进程非常缓慢。当前，全球范围内可实现商业化的AlN单晶衬底直径仅为2英寸，不仅供货周期长、供应量也非常有限，且十多年来欧美就任意尺寸的AlN单晶衬底对中国一直实施禁运，严重制约了我国AlN单晶材料技术的开发及其在高功率/高压/高频/高温电力电子器件、射频通信器件、深紫外光电子器件等诸多领域的商业化发展和在国防军工领域的关键应用。

图一 奥趋光电制备的2英寸AlN单晶锭（左）和3英寸AlN单晶锭（右）

图二 奥趋光电制备的3英寸AlN单晶衬底样片

氮化铝（AlN）是极具战略意义的新一代超宽禁带半导体材料，具有超宽禁带（6.2 eV）、高热导率（340 W/(m∙K)）、高击穿场强（15.4 MV/cm）、高热稳定性及良好的紫外透过率等优异性能（见图三），是高功率、高频及高压器件（见图四）的理想衬底材料，同时也是紫外光电器件的最佳衬底材料。据康奈尔大学报导，AlN基功率器件的综合性能有着其它宽禁带半导体材料所无可比拟的优势与效率，被认为是下一代功率器件材料平台；由于AlN耐压能力约为SiC的5倍、GaN的3倍及金刚石的1.5倍，日本NTT公司于2022年首次使用高质量AlN单晶衬底制备出了全球首款耐压1700V、耐温高达500℃的新一代晶体管，并表示有望将功率器件电力损耗降至Si的5％以下、SiC的35％以下和GaN的50％以下；近期，诺贝尔获奖者天野浩教授团队基于AlN单晶衬底首次实现了室温下连续波深紫外激光输出。这些突破性成果代表基于AlN单晶衬底的技术向未来产业化广泛应用奠定了坚实基础。

图三 各种半导体材料特性比较图

图四 各种半导体材料功率器件应用领域比较图

奥趋光电拥有具备完整自主知识产权的全自动化长晶设备，以及热场设计、有限元仿真模拟软件开发等技术能力。3英寸AlN单晶及其衬底样片的成功制备完全依托于奥趋光电第三代全自动氮化铝单晶生长炉（设备型号：UTI-PVT-D075H，见图五），在50-90 kPa的高纯度氮气气氛（99.999%）下通过同质外延物理气相传输法（PVT）迭代生长技术实现。其中，PVT长晶设备、长晶热场、长晶工艺等设计与优化均采用了奥趋光电自主开发的一系列先进的有限元模拟仿真工具，如多项流传质仿真模块、杂质传输仿真模块、生长速率预测仿真模块、过饱和度仿真模块、三维各向应力仿真模块等。从2英寸至3英寸的扩径过程中，通过生长室的优化设计及不同工艺段的温度分布、生长前沿的径向温度梯度、生长室内的物质传输及过饱和度等精确控制，最终实现了无寄生形核、无裂纹且直径为76 mm的AlN单晶锭，平均生长速度为100-300 μm/h，晶体的初期扩张角较大达到45-65°，并随后逐渐下降到10-20°。在扩径迭代生长进程中，晶锭外形逐渐从2英寸六边形晶锭逐渐转变为轴对称圆锥形晶锭，其自然习性面棱系列面{10-10}和R系列面{10-1n}在晶锭直径超过约70 mm后逐步消失。

图五 奥趋光电自主开发的UTI-PVT-D075H型全自动AlN单晶气相沉积炉

奥趋光电对化学机械抛光（CMP）后的2-3英寸AlN衬底进行了高分辨X衍射（HRXRD）摇摆曲线（见图六）和深紫外吸收系数（见图七）的表征。3英寸衬底的（0002）和（10-12）HRXRD摇摆曲线半高宽分别为176 arcsec和109 arcsec，表明具有较高的结晶质量。然而，随衬底直径的扩大，半高宽有所增大，表明质量略受影响。初步判断是因为晶体扩径过程中生长界面逐渐增强的径向温梯导致了各类缺陷（小角度晶界、穿型位错、基底面位错、堆垛层错等）的产生与增殖。图七显示了用紫外-可见光分光光度计检测的3英寸样片在200-1000nm范围内的吸收系数。衬底中心和边缘位置的结果十分接近，表明具有较好的透光均匀性。在深紫外波段（240-280 nm），衬底片的吸收系数低至18-26 cm-1，表明具有优异的深紫外透过率。

图六 3英寸AlN衬底的HRXRD摇摆曲线：（A）（0002）对称反射和（B）（10-12）非对称反射

图七 3英寸AlN衬底的吸收系数图谱

该项工作得到了国家重点研发计划（批准号：2022YFB3605302）、国家自然基金（批准号：61874071, 61725403, 61827813, 62121005）及浙江省重点研发计划（批准号：2020C01145）的支持。奥趋光电于2021年发布了新一代超宽禁带半导体高端材料——高质量氮化铝单晶衬底系列产品，并已实现2英寸（Φ50.8mm）及以下各尺寸氮化铝单晶衬底的小批量量产和公开销售，预期2023年3-4英寸产品可对外试样。

来源：电子新材料