超宽禁带半导体之AlN

AlN具有超宽禁带宽度6.2 eV，高击穿场强11.7 MV/cm，该两参数都是我们熟知的超宽禁带材料（如氧化镓、金刚石和氮化铝等）中最高的，高热导率340 W/(m·℃)，远高于氮化镓，接近碳化硅，良好的紫外透过率、抗热和辐射稳定性等优异性能，晶体结构与常规氮化物一样具有六方纤锌矿和立方闪锌矿两种结构，故AlN是氮化镓基高温（得益于AlN高热导率）、高频（得益于高Al组分AlGaN）、高功率（得益于高击穿场强）电子器件以及高Al组分深紫外光电器件（得益于高Al组分AlGaN及紫外透明）的理想衬底材料。与硅类似，AIN易与水蒸气或高温氧气生成氧化铝绝缘介质层，这或许是将来制备MOS结构的优势特性。

国内外众多科研机构近几十年来开展了AIN单晶生长的深人研究,并开发了各种生长技术,如HVPE、MOCVD、MBE、ALD及PVT等。在上述方法中,前几种主要用来生长AIN单晶薄膜，而PVT法在生长速率、结晶质量方面具有巨大优势,被公认为是目前制备大尺寸、高质量AIN体单晶的最佳方法。自1976年Slack等首先使用PVT法得到豪米级AIN晶体以来，PVT被公认为是目前制备AIN体单晶的最佳方法。PVT法生长AIN过程中,AIN固体原料放置于封闭坩埚系统内,生长系统内充满高纯N2气,原料气体在温度梯度、浓度梯度等作用下输运至低温籽晶上进行结晶生长。一般选择垂直结构坩埚系统,其中原料区位于坩埚的下部高温区,籽晶位于坩埚的上部低温区。AI-N系统在合适的温度和压力以及N2过量的情况下，只有气态AI和N2与固态 AIN 处于平衡状态。通常长晶温度在2000℃以上,但超过2430℃时，AIN将无法稳定存在。过去几十年,研究人员对AIN晶体生长工艺条件、热场结构和长晶机理等进行了大量深人研究,归纳出了AIN晶体稳定生长的工艺窗口。在自发成核或同质外延生长的温度范围在2050-2320℃之间,相应的温度梯度通常在5-20℃/cm范围，适配合理的过饱和度及长晶速度。采用SiC籽晶的异质外延时，籽晶温度通常要低于1900℃，相应的生长速率就只有几十um/h。理论上,高质量AIN晶体生长需在过饱和度接近零的近平衡状态时生长,但过饱和度过小必将导致晶体生长速率过低，相反太大的过饱和度将导致生长初期易于自发成核、成核密度过大及生长速率过快而出现多晶。大家的共识是，使用高质量的AIN籽晶进行同质外延生长是获取高质量、更大尺寸AIN晶体的最终途径。AlN籽晶一般通过自发成核或异质外延获得，PVT生长工艺条件（温度、坩埚类型，钨或TaC 坩埚）对AIN单晶生自发生长宏观形貌及极性有巨大影响。以SiC为籽晶的AIN异质外延生长虽然具有足够大尺寸的SiC作为异质生长的籽晶，但在N2气氛下,SiC在1900℃就会发生较强烈的分解,导致籽晶温度限制在1900℃以下,从而限制了AIN的生长速率，同时SiC的分解会导致Si及C杂质扩散至AIN 晶体内,从而严重影响晶体的质量，另外由于AIN和SiC间的晶格失配及热失配,将在AIN 晶体内部引入较多的位错等缺陷。

AIN晶体同质PVT经过近20年的发展,取得了长足的进步,但目前仍面临巨大挑战,如在PVT长晶迭代优化过程中,需要不断攻克诸如热场优化、原料纯度控制、高质量籽晶制备、初始成核生长、寄生成核、应力控制、缺陷抑制与极性控制等一系列关键科学和技术问题。AIN单晶目前最大尺寸仅为60mm，目前国内外有能力生长出2英寸AIN单晶的单位非常有限。与目前较为成熟的SiC、GaN衬底材料相比，AIN单晶生长及其衬底加工具有更高的技术难度和成本。尽管众多研发机构在PVT法制备AIN单晶方面做出了长期不懈努力,但过去几十年的研究进展显明AIN体单晶尺寸平均仅以2.5mm/y左右的速度在增加,近几年还有放慢的节奏。这或许与下游器件研究严重滞后有关，没有器件的需求和反馈，材料不知发力的方向，更没有终端市场的驱动牵引效应。因此，AIN单晶的制备无论从生长机理的认识上，还是长晶工艺技术的突破上，以及材料-器件-应用的协同上都面临着许多机遇和挑战。