AlN單晶襯底以其優異的性能和潛在的應用前景引起了人們的廣泛研究興趣. 物理氣相輸運（PVT）是最適合AIN襯底制備的方法。在大尺寸SiC單晶上異質生長AlN籽晶，并在隨后的同質生長中迭代優化AlN的晶體質量，是制備大尺寸AlN襯底的重要技術路線。

然而，這一大尺寸AlN單晶制備技術面臨諸多的挑戰，包括異質生長中SiC在AlN生長溫度下的分解對籽晶表面的刻蝕，導致AlN晶體質量差和形貌粗糙，以及在大尺寸同質生長中抑制熱應力弛豫導致的裂紋，以及生長晶體和表面質量控制和優化。

近日，第九屆國際第三代半導體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導體照明論壇（SSLCHINA）于廈門召開。期間，“氮化物襯底、外延生長及其相關設備技術”分會上，北京大學于彤軍教授做了“大尺寸AlN單晶生長研究”的主題報告，分享了SiC上AlN異質PVT生長的形貌控制和2-4英寸AlN同質PVT生長的最新研究進展。

報告指出，研究了SiC襯底上AlN異質PVT生長的形貌控制規律，明確了SiC表面臺階是 AlN臺階式生長并且取得高質量生長表面的前提條件；提出了SiC襯底上兩部生長法的AlN異質PVT方法，獲得了高質量接近3英寸的AlN／SiC籽晶；基于AlN籽晶的同質生長過程，通過蔓延生長方式，實現晶體形貌和質量的優化，在大尺寸熱流場耦合控制的條件下，初步實現了2代4英寸AlN晶體的生長。

報告中于教授詳細介紹了研究進展與結果。研究首先結合計算流體動力學（CFD)模擬和 PVT生長實驗，研究了SiC襯底上AlN的PVT生長的表面控制。結果表明，在活性Al蒸氣的PVT生長中，保持有宏觀臺階的SiC襯底的表面結構十分重要，這需要在初始階段將生長溫度和壓力限制在適當的范圍內，直到AlN層完全覆蓋SiC表面。研究還發現在后續的生長中，襯底表面附近的過飽和度控制對生長模式具有重要的影響。過飽和度增加導致從二維生長向三維生長的轉變，從而使表面形貌變得粗糙。

研究發現在500 mbar的壓力下，相應的模式轉變溫度Ttran在1890°C到1910°C之間。以此為基礎，提出了兩步法生長的方案，即先將生長溫度Tg保持在接近SiC表面宏觀可以保持的溫度上限生長，在SiC表面被AlN覆蓋后，將Tg升高到接近Ttran，以較高的速率進行生長。運用兩步法，實現了厚度為824μm的表面光滑呈鏡面狀的2英寸以上的AlN單晶。

在大的AlN籽晶上，研究開展了兩次迭代同質PVT生長，進行了4英寸AlN單晶的生長。大尺寸AlN晶體同質PVT過程以宏觀三維模式下生長棱柱狀晶粒為主要特點，而蔓延生長可以通過高指數面引導的晶柱融合實現形貌優化和晶體質量優化。運用生長速率對應的與溫度和壓力的匹配關系，可以實現高效率的PVT蔓延生長，提高c面取向的一致性和晶體質量。運用這一方法，在已經實現的2英寸單晶襯底制備的基礎上，進一步完成2代的4英寸的AlN晶體同質PVT迭代生長。

研究結果顯示，通過表面形貌控制的二步生長法，可以在SiC襯底上異質PVT生長出大尺寸高質量AlN晶體，并以此為籽晶，通過蔓延式生長方法迭代進行同質PVT生長，可以獲得優化的2-4英寸的單晶襯底。這一研究結果，為實現大尺寸AlN單晶襯底的規模化制備和產業應用提供了技術基礎。

審核編輯：劉清