特邀综述推介｜PVT法AlN单晶生长技术研究进展及其面临挑战

作为第三代半导体材料，AlN具有超禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高热稳定性及良好的紫外透过率等优异性能，是紫外/深紫外LED、紫外LD最佳衬底材料，同时也是高功率、高频电子器件理想衬底材料。而PVT工艺被公认为是目前制备AlN体单晶最佳方法，也一直是AlN体单晶生长的研究热点与难点。《人工晶体学报》2020年第7期特别推出上海大学吴亮教授团队关于AlN单晶生长技术方面的特邀综述文章。文中，作者全面综述了AlN单晶的晶体结构、基本性质、PVT法生长AlN晶体的原理与生长习性，以及基于AlN单晶PVT生长策略的各种工艺研究历程。最后对PVT法生长AlN单晶的发展趋势及其面临的挑战进行了展望。

图文导读

图1 AlN晶体六方纤锌矿结构及成键类型

图2 六方纤锌矿结构AlN晶体的常规晶面分布

表1 AlN与其他半导体材料物理性能对比

图3 PVT法生长AlN单晶工艺窗口（生长气压、温度倒数之间关系）

图4 (a)晶体习性与生长温度的关系；(b)AlN典型特征面

图5 采用自发形核工艺生长的AlN单晶

图6 大尺寸AlN单晶衬底样片

图7 采用同质外延工艺生长的AlN单晶

图8 采用异质外延工艺生长的AlN单晶

小　　结

AlN晶体结构有六方纤锌矿（α-phase）和立方闪锌矿（β-phase）两种结构，其中六方纤锌矿结构为稳定结构。其理论计算熔点在2700 ℃以上，实际在1700 ℃以上即开始少量分解，并随温度升高而加剧。AlN 属于直接带隙电子型半导体（N-type），禁带宽度为6.2 eV。近几十年来各国研究人员致力于AlN单晶生长的深入研究，并开发了各种生长工艺方法，如氢化物气相外延法（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）及物理气相传输法（PVT）等。

本论文在详细介绍AlN晶体结构、性质及其巨大应用潜力基础上，针对当前PVT法生长AlN所面临的技术难题、挑战和未来的发展趋势等展开综述。重点聚焦PVT工艺制备大尺寸、高质量AlN体单晶，从该工艺的生长原理到AlN晶体的自发生长习性，再到PVT工艺生长AlN晶体中的三种生长策略——自发形核生长、同质外延生长、异质外延生长展开论述。同时作者也对PVT工艺中杂质和缺陷控制等核心问题进行了解析并提出应对策略。

经过多年的持续深入研究，尽管AlN晶体生长技术取得了令人鼓舞的进展，但仍存在晶体尺寸偏小、晶体质量有待进一步提升、供应量极其有限及价格昂贵等问题。AlN单晶的制备无论是从生长理论完善还是工艺技术实现上仍面临诸多挑战。

我国对AlN晶体生长技术的研究起步较晚，但相关科研机构和企业如山东大学、中科院半导体所、中科院物理所、深圳大学、哈尔滨工业大学、北京大学、上海大学、中国电子科技集团公司第四十六研究所及奧趋光电技术（杭州）有限公司等均开展了相关研究，在PVT晶体生长自动化装备及工艺创新方面进展迅速，某些关键技术指标甚至已处于世界领先地位。相信在国家对宽禁带半导体技术的重视和支持下，在科研人员及产业界共同努力下，AlN单晶生长技术及其配套装备产业必将取得更大的发展。

通讯作者简介

吴亮（1972—），男，分别毕业于比利时鲁汶大学、清华大学及大连理工大学，获博士、硕士及本科学位，现为上海大学特聘教授，博士生导师，《人工晶体学报》编委。