物理氣相傳輸法（PVT）被公認(rèn)為生長氮化鋁單晶的唯一方法，同質(zhì)外延生長技術(shù)是最終制備高質(zhì)量、大尺寸氮化鋁單晶的最佳方案。本文淺談了氮化鋁單晶同質(zhì)外延生長技術(shù)的基礎(chǔ)原理、最新進(jìn)展以及面臨的挑戰(zhàn)。
一、氮化鋁材料屬性及其優(yōu)勢
氮化鋁具有超禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高熱穩(wěn)定性及良好的紫外透過率等優(yōu)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[1-5]。
氮化鋁禁帶寬度高達(dá)6.2 eV，在深紫外發(fā)光波段表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，如氮化鋁基紫外發(fā)光器件可以實(shí)現(xiàn)200 nm~400 nm全紫外波段的應(yīng)用，覆蓋紫外固化、紫外醫(yī)療、紫外催化、紫外滅菌、紫外通信、高密度存儲等應(yīng)用領(lǐng)域。
同時，氮化鋁也具有較高的載流子遷移速率及超高擊穿場強(qiáng)，氮化鋁基高頻、高功率器件綜合性能有著其它寬禁帶半導(dǎo)體材料如SiC、GaN等無可比擬的優(yōu)勢與效率（如表1）。此外，氮化鋁的高穩(wěn)定性、高聲速傳播速度特點(diǎn)，是5G通信射頻濾波、MEMS傳感器最佳材料。
二、氮化鋁單晶PVT生長策略
物理氣相傳輸法（PVT）被公認(rèn)為生長塊狀高質(zhì)量氮化鋁單晶的唯一方法，具有生長速率快、結(jié)晶完整性好、安全性高等特點(diǎn)，也一直是氮化鋁體單晶生長的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。氮化鋁單晶PVT生長有三種重要的生長策略：
1）自發(fā)形核生長；
2）4H-/6H-SiC襯底異質(zhì)外延生長；
3）同質(zhì)外延生長。其中，同質(zhì)外延生長法可以使用自發(fā)形核生長獲得的小尺寸氮化鋁晶體作為籽晶進(jìn)行擴(kuò)晶生長，由于其無晶格失配影響，能維持甚至改善外延晶體質(zhì)量，同時實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大晶體尺寸的優(yōu)勢，是生長氮化鋁單晶的最終極目標(biāo)。
同質(zhì)外延生長工藝過程的溫度范圍為2050~2320 ℃之間（圖1為工藝窗口），其生長過程的溫度梯度通常在5~50 ℃/cm范圍內(nèi)，氮?dú)鈮阂话阍O(shè)置在300-900mbar，以維持合理的過飽和度及長晶速率。
工業(yè)界常使用晶化提純后的氮化鋁原料放置于封閉或半開放坩堝系統(tǒng)內(nèi)，生長系統(tǒng)內(nèi)充滿高純氮?dú)?，在高溫大?000℃下，反應(yīng)性的升華蒸氣在溫度梯度、濃度梯度等作用下傳輸至低溫區(qū)進(jìn)行再結(jié)晶與生長。通常，坩堝系統(tǒng)使用垂直結(jié)構(gòu)，其中原料區(qū)位于坩堝的下部，再結(jié)晶區(qū)位于坩堝的上部，如圖2為PVT爐典型熱場結(jié)構(gòu)[6]。
三、氮化鋁單晶襯底發(fā)展現(xiàn)狀
同質(zhì)外延工藝經(jīng)過近20年的發(fā)展，取得了不少進(jìn)步，但目前全球范圍內(nèi)有能力小批量制備2英寸、高質(zhì)量的氮化鋁單晶襯底的機(jī)構(gòu)仍然非常有限。
截至當(dāng)前，全球僅有2家美國企業(yè)（Crystal IS Inc.和Hexatech Inc.）具備小批量生產(chǎn)2英寸氮化鋁晶圓襯底能力（如圖3），但由于氮化鋁材料的敏感用途，美國任意尺寸的氮化鋁晶片對中國實(shí)行禁運(yùn)。
國內(nèi)氮化鋁單晶生長技術(shù)研究起步較晚，但最近幾年進(jìn)展非常迅速，如奧趨光電技術(shù)（杭州）有限公司通過高強(qiáng)度的研發(fā)投入，相繼推出了10mm、20mm及1英寸、2inch與60mm的高質(zhì)量氮化鋁單晶襯底樣片（如圖4），表征結(jié)果表明襯底樣片的拉曼半高寬及其深紫外透光性處于世界領(lǐng)先地位[7]，為國內(nèi)突破國外技術(shù)封鎖及大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
四、氮化鋁單晶襯底關(guān)鍵技術(shù)問題
與近10年來SiC晶體的快速發(fā)展相比，氮化鋁單晶生長技術(shù)進(jìn)展非常緩慢，氮化鋁同質(zhì)外延生長工藝仍面臨眾多挑戰(zhàn)，如在外延迭代過程中，必須同時掌握諸如熱場優(yōu)化、原料雜質(zhì)控制、高質(zhì)量籽晶獲取、小籽晶加工與固定及初始形核生長、寄生形核、缺陷增殖與極性控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，全球目前仍只有極少數(shù)企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)有能力進(jìn)入該技術(shù)開發(fā)階段[7-9]。
籽晶固定是同質(zhì)生長氮化鋁晶體中至關(guān)重要的問題。籽晶一般通過化學(xué)、機(jī)械或熱粘結(jié)的方法固定在支撐臺上。但由于籽晶與襯底之間存在著熱失配，會導(dǎo)致晶體裂紋的出現(xiàn)。此外，籽晶與襯底之間的任何微孔或孔隙都將會導(dǎo)致籽晶的背面升華。籽晶背面升華后在更低溫度處凝華，導(dǎo)致晶體間出現(xiàn)微孔，并向高溫方向（生長方向）移動，甚至貫穿整個晶體。微孔的高速移動不僅會造成晶體結(jié)構(gòu)的破壞，對后續(xù)外延氮化鋁晶體的質(zhì)量也會受到嚴(yán)重的影響。一般采用與籽晶的熱膨脹系數(shù)相匹配的籽晶托臺材料，可以解決冷卻過程中晶體破裂等問題，也有些研究機(jī)構(gòu)研究諸如背面電鍍和氮化密封等新技術(shù)。
合適的溫度場對同質(zhì)外延生長尤其重要。在籽晶前沿形成凸形的溫度場，可以抑制1mm生長厚度內(nèi)棱柱面{10-10}形成，但過凸的溫度場會導(dǎo)致生長的晶體內(nèi)熱應(yīng)力過大，從而導(dǎo)致位錯密度的增殖，嚴(yán)重時會導(dǎo)致晶體的開裂與多晶寄生生[10]。由于氮化鋁晶體生長溫度高、周期長、熱場成本高，精細(xì)的溫度場設(shè)計、調(diào)控及優(yōu)化需使用數(shù)值模擬仿真技術(shù)。因此，數(shù)值模擬仿真技術(shù)軟件是研究氮化鋁晶體生長過程不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。
奧趨光電技術(shù)（杭州）有限公司分別自主開發(fā)了氮化鋁單晶生長過程的傳質(zhì)模塊、速度預(yù)測模塊、過飽和度模塊、雜質(zhì)傳輸模塊及三維熱應(yīng)力模塊等[10-13]，為快速開展氮化鋁晶體生長設(shè)備設(shè)計、熱場設(shè)計及工藝優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用。
五、機(jī)遇和挑戰(zhàn)
綜上所述，與相對較為成熟的SiC、GaN產(chǎn)業(yè)鏈相比，氮化鋁產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用才剛剛開始。由于氮化鋁材料極其優(yōu)異的性能及其廣泛應(yīng)用前景，氮化鋁應(yīng)用市場的大爆發(fā)非常值得期待，但無論是從生長理論完善、工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)及成本控制上等也面臨諸多挑戰(zhàn)。
在光電子器件領(lǐng)域，隨著2020年起“水俁公約”的逐步實(shí)施，必將引爆對高功率紫外LED芯片對氮化鋁單晶襯底的巨大需求；紫外探測器、紫外傳感器及紫外激光器技術(shù)近幾年來也都在快速發(fā)展，也催生對氮化鋁單晶襯底的大量需求。
但如何開發(fā)更大尺寸（如4英寸）且具有良好深紫外透光性、低位錯密度、工藝可重復(fù)性好的低成本氮化鋁單晶襯底生長技術(shù)是其面臨的巨大挑戰(zhàn)。在功率電力電子領(lǐng)域，氮化鋁具有極高的臨界電場，制備的功率器件具有高關(guān)態(tài)阻斷電壓、超低導(dǎo)通電阻及超快開關(guān)時間，綜合性能是SiC、GaN功率器件的10-15倍左右，具有其它寬禁代半導(dǎo)體器件無與倫比的高功率和高效率，而進(jìn)一步開發(fā)4英寸/6英寸可摻雜、低位錯密度、低成本的氮化鋁單晶襯底生長技術(shù)是其面臨的巨大挑戰(zhàn)。
盡管國內(nèi)對氮化鋁晶體生長技術(shù)的研究起步較晚，但最近幾年在PVT晶體生長自動化裝備及工藝創(chuàng)新方面進(jìn)展迅速，某些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)甚至已處于世界領(lǐng)先地位。我們相信在國家對寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的重視和支持下、在科研人員及產(chǎn)業(yè)界共同努力下，氮化鋁單晶生長技術(shù)及其配套裝備產(chǎn)業(yè)必將取得更大的發(fā)展。
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