AlN单晶衬底以其优异的性能和潜在的应用前景引起了人们的广泛研究兴趣. 物理气相输运（PVT）是最适合AIN衬底制备的方法。在大尺寸SiC单晶上异质生长AlN籽晶，并在随后的同质生长中迭代优化AlN的晶体质量，是制备大尺寸AlN衬底的重要技术路线。然而，这一大尺寸AlN单晶制备技术面临诸多的挑战，包括异质生长中SiC在AlN生长温度下的分解对籽晶表面的刻蚀，导致AlN晶体质量差和形貌粗糙，以及在大尺寸同质生长中抑制热应力弛豫导致的裂纹，以及生长晶体和表面质量控制和优化。
近日，第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）于厦门召开。期间，“氮化物衬底、外延生长及其相关设备技术”分会上，北京大学教授于彤军做了“大尺寸AlN单晶生长研究”的主题报告，分享了SiC上AlN异质PVT生长的形貌控制和2-4英寸AlN同质PVT生长的最新研究进展。
报告指出，研究了SiC衬底上AlN异质PVT生长的形貌控制规律，明确了SiC表面台阶是 AlN台阶式生长并且取得高质量生长表面的前提条件；提出了SiC衬底上两部生长法的AlN异质PVT方法，获得了高质量接近3英寸的AlN／SiC籽晶；基于AlN籽晶的同质生长过程，通过蔓延生长方式，实现晶体形貌和质量的优化，在大尺寸热流场耦合控制的条件下，初步实现了2代4英寸AlN晶体的生长。
报告中于教授详细介绍了研究进展与结果。研究首先结合计算流体动力学（CFD)模拟和 PVT生长实验，研究了SiC衬底上AlN的PVT生长的表面控制。结果表明，在活性Al蒸气的PVT生长中，保持有宏观台阶的SiC衬底的表面结构十分重要，这需要在初始阶段将生长温度和压力限制在适当的范围内，直到AlN层完全覆盖SiC表面。研究还发现在后续的生长中，衬底表面附近的过饱和度控制对生长模式具有重要的影响。过饱和度增加导致从二维生长向三维生长的转变，从而使表面形貌变得粗糙。研究发现在500 mbar的压力下，相应的模式转变温度Ttran在1890°C到1910°C之间。以此为基础，提出了两步法生长的方案，即先将生长温度Tg保持在接近SiC表面宏观可以保持的温度上限生长，在SiC表面被AlN覆盖后，将Tg升高到接近Ttran，以较高的速率进行生长。运用两步法，实现了厚度为824μm的表面光滑呈镜面状的2英寸以上的AlN单晶。
在大的AlN籽晶上，研究开展了两次迭代同质PVT生长，进行了4英寸AlN单晶的生长。大尺寸AlN晶体同质PVT过程以宏观三维模式下生长棱柱状晶粒为主要特点，而蔓延生长可以通过高指数面引导的晶柱融合实现形貌优化和晶体质量优化。运用生长速率对应的与温度和压力的匹配关系，可以实现高效率的PVT蔓延生长，提高c面取向的一致性和晶体质量。运用这一方法，在已经实现的2英寸单晶衬底制备的基础上，进一步完成2代的4英寸的AlN晶体同质PVT迭代生长。
研究结果显示，通过表面形貌控制的二步生长法，可以在SiC衬底上异质PVT生长出大尺寸高质量AlN晶体，并以此为籽晶，通过蔓延式生长方法迭代进行同质PVT生长，可以获得优化的2-4英寸的单晶衬底。这一研究结果，为实现大尺寸AlN单晶衬底的规模化制备和产业应用提供了技术基础。
嘉宾简介
于彤军，1999年在日本国立东北大学获得博士学位，1999年至2001年在日本邮政省通讯放送机构仙台研究中心任特聘研究员，现为北京大学物理学院教授，博士生导师。长期从事宽禁带半导体发光材料、物理和器件研究，在氮化物晶体、薄膜材料以及纳米结构外延生长机理研究、缺陷和应力控制、AlGaN基深紫外发光偏振光学特性和光场调控方面取得一系列成果。2016年起开展AlN单晶生长研究，实现了PVT法2英寸AlN晶体生长，承担科技部十四五重点研发计划项目、基金委重点项目等多项科研项目。共发表 SCI 收录论文 120 余篇，获得授权/申请国家发明专利 30 余件，曾获中国光学学会光学科技奖一等奖、教育部科技进步二等奖和北京市科学技术三等奖。