不容错过的潜力材料：浅谈AlN晶体

提到第三代半导体，大家第一时间都会想到发展得更为成熟的SiC和GaN，而对于尚处于起步阶段的ZnO、金刚石和AlN等宽禁带半导体材料，关注度则会低上许多。但尽管如此，它们的潜能也不应被忽视，比如说AlN就具有如下多种优异性能：

①禁带宽度6.2eV，并具有直接带隙，是重要的蓝光和紫外发光材料；

②热导率高，熔点高，电阻率高，击穿场强大，介电系数小，是优异的高温、高频和大功率器件用电子材料；

③沿c轴取向的AlN具有非常好的压电性和声表面波高速传播性能，是优异的声表面波器件用压电材料。

与其他Ⅲ-N材料接近的晶格常数和热膨胀系数，使AlN晶体成为GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小，因此AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，尤其在蓝光-紫外固态激光二极管、激光器、GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件和日盲型AlGaN紫外探测器件的衬底方面，更是具有独特优势。

AlN与其他常用半导体材料性能对比

01AlN晶体生长的难点

既然AlN晶体具有这么出色的性能，那为什么还得不到推广呢？究其根本还是因为太难“做”了。与发展得较为成熟的SiC等衬底材料相比，AlN单晶生长及其衬底制备具有更高的技术难度、更高的复杂性和更高的成本等特点，主要可总结为以下2点：

①AlN晶体具有极高的熔点温度（~3500K）和较大的分解压，正常压力条件下，AlN在熔化前即会发生分解，因此无法从熔体中生长AlN晶体；

②AlN在高温下分解出的铝蒸汽很活泼，易腐蚀坩埚，需要选择耐高温、耐腐蚀的坩埚材料。

就算是采用目前在AlN单晶领域被公认为最佳制备法的物理气相传输法（PVT）工艺，AlN单晶最大也只能做到60mm，全球范围内有能力生长出2英寸AlN单晶的企业/研发机构非常有限。在这一点上，AlN确实与8英寸都已经开始商业化的SiC形成了有些泪目的差距。

奥趋光电技术（杭州）有限公司在日本横滨举行的LED工业应用国际会议(LEDIA-2019) 上，推出了直径60mm 氮化铝单晶及晶圆，该晶圆为迄今为止国内外见诸报道的最大尺寸氮化铝晶圆（资料来源：奥趋）

02AlN晶体的应用前景

不过有句说句，即便AlN单晶很难做，但它的优良性能依旧驱使着许多科研机构及企业对其单晶生长的机理及技术开展深入研究。目前除了用于制备单晶的PVT法外，还有用来生长AlN单晶薄膜的氢化物气相外延法（HVPE）、金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）、分子束外延法（MBE）、原子层沉积技术（ALD）等。

应用方面，AlN主要用于微波毫米波器件、SAW器件、紫外/深紫外LED以及电力电子器件。其中AlN紫外LED的输出功率已达到实用化需求，紫外/深紫外探测器仍在研制阶段，中功率吉赫兹级通信用HEMT和SAW/体声波（BAW）压电器件正步入实用化阶段。此外，AlN大功率电力电子器件进入快速发展期，新型AlN器件如MEMS器件、太赫兹器件、高温器件等处于不断探索和开发中。

使用AlN缓冲层的深紫外LED的典型外延结构图

综上所述，AlN材料和器件技术距离“完善”还有相当一段距离，无论是单晶的生长还是器件的制备应用都面临着诸多挑战。不过随着近年来光电子器件领域的快速发展，高功率紫外LED芯片对AlN单晶衬底的巨大需求还是有望被引爆的，因此如何开发更大尺寸（如4英寸）且具有良好深紫外透光性、低位错密度、工艺可重复性好的低成本AlN单晶衬底生长技术成为了当今半导体领域的研究热点与难点。

资料来源：

1.付丹扬,龚建超,雷丹等.PVT法AlN单晶生长技术研究进展及其面临挑战[J].人工晶体学报,2020,49(7)

2.何君,李明月.超宽禁带AlN材料及其器件应用的现状和发展趋势[J].半导体技术,2019(04)

3.奥趋光电技术（杭州）有限公司

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